Summary
Rutiner för inspelning med hög densitet EEG och blicken data under datorspel baserade på kognitiva uppgifter beskrivs. Använda ett videospel för att presentera kognitiva uppgifter förstärker ekologisk validitet utan att offra experimentell kontroll.
Abstract
Experimentella paradigm är värdefulla eftersom tidpunkten och andra parametrar av deras stimuli är väl specificerade och kontrolleras, och i den mån de ger data som är relevanta för den kognitiva bearbetning som sker under ekologiskt giltiga förhållanden. Dessa två mål är ofta oense, eftersom välkontrollerade stimuli ofta är alltför repetitiva för att upprätthålla ämnen motivation. Studier anställa elektroencefalografi (EEG) är ofta särskilt känsliga för detta dilemma mellan ekologisk validitet och experimentell kontroll: att uppnå tillräcklig signal-brus i fysiologisk genomsnitt kräver ett stort antal upprepade försök inom långa inspelningen, vilket begränsar ämnet poolen till individer med förmåga och tålamod för att utföra ett antal uppdrag och om igen. Denna begränsning begränsar allvarligt forskares möjlighet att undersöka yngre befolkning samt kliniska populationer i samband med ökad ångest eller uppmärksamhet avvikelser. Även vuxna, icke-kliniska ämnen kanske inte kan uppnå sina typiska nivåer av prestanda eller kognitiv engagemang: en omotiverad ämne för vilken en experimentell uppgift är lite mer än en knepig inte är densamma, beteendemässigt, kognitivt eller neuralt, som en ämne som i sig är motiverade och engagerade med uppgiften. En växande mängd litteratur visar att bädda experiment inom tv-spel kan ge en väg mellan hornen på detta dilemma mellan experimentell kontroll och ekologisk validitet. Berättelsen om ett spel ger en mer realistisk i vilket sammanhang uppgifterna förekommer, högre ekologisk validitet (Chaytor & Schmitter-Edgecombe, 2003). Dessutom ger detta sammanhang motivation att slutföra uppgifter. I vårt spel, ämnen utföra olika uppdrag för att samla resurser, parera pirater, avlyssna kommunikation eller underlätta de diplomatiska förbindelserna. Därvid utför de också en rad kognitiva uppgifter, inklusive en Posner uppmärksamhet skiftande paradigm (Posner, 1980), en go / no-go test av motorisk hämning, en psykofysisk rörelse samstämmighet tröskeln uppgift, Embedded Siffror Test (Witkin , 1950, 1954) och en teori-of-mind (Wimmer & Perner, 1983) uppgift. Spelet programvara registrerar automatiskt spelet stimuli och ämnen agerande och reaktioner i en loggfil och skickar händelsen koder för att synkronisera med fysiologiska data brännare. Således spelet kan kombineras med fysiologisk åtgärder som EEG eller fMRI, och med ögonblick till ögonblick spårning av blick. Blicka spårning kan verifiera ämnen efterlevnad beteendeterapi uppgifter (t.ex. fixering) och overt uppmärksamhet experimentella stimuli, och även fysiologisk upphetsning som återspeglas i elev dilatation (Bradley et al., 2008). Vid tillräckligt stor samplingsfrekvenser kan blick spårning hjälpa också bedöma hemlig uppmärksamhet som återspeglas i microsaccades - ögonrörelser som är för små för att foveate ett nytt objekt, men är lika snabb i debuten och har samma förhållande mellan vinkelavståndet och maximal hastighet som gör saccades att passera större avstånd. Fördelningen av riktningarna microsaccades korrelerar med (annars) hemliga riktning uppmärksamhet (Hafed & Clark, 2002).
Protocol
1. Designa en underhållande och vetenskapligt Informativ Video Game
- Applicera en iterativ process speldesign som handlar av vetenskapligt värde och spelbarhet informera varandra. Som ett experimenterande, har du idéer om de stimuli och beteendemässiga paradigm som du vill se byggas in i ett dataspel. Eftersom du inte är en speldesigner, får i uppdrag att bygga dessa paradigm i spel verkar en detalj som kan lösas först när det mesta av arbetet har slutförts. Ingenting kunde vara längre från sanningen. Huruvida ett spel kommer att locka motiverade spelare - och därmed om din data kommer att samlas in enligt villkoren för maximal ekologisk validitet - beror i grunden på en bra design. Speldesign är skild från spel programplanering och genomförande, och oftast görs av olika människor med olika kompetens. Din budget kan tillåta för professionella designers, eller det kan låta bara för student designers - beroende på vilket fall, dock bör utforma behandlas som en uppgift åtskild från genomförande, och en uppgift förtrogen med, men inte synonymt med specifikation av den experimentella paradigmet . Inte alla dina idéer och begränsningar kommer att realiseras som en spelbar spel. En bra designer kommer tillbaka till dig med frågor och förslag på hur din experimentella paradigm kan bli mer flexibla för att producera en spelbar, underhållande spel. Enligt vår erfarenhet är speldesign för experimentell vetenskap en iterativ process där praktiker sidan speldesigners en uppsättning begränsningar, spelet formgivare lämna tillbaka utformning idéer och förslag för att ändra dessa begränsningar de praktiker omvärdera de begränsningar som svar på denna feedback , och så vidare.
- Design för spelare av båda könen. På populationsnivå, kulturellt och biologiskt baserade kognitiva egenskaper skiljer män och kvinnor (Valla et al., 2010). Många vanliga spel format - i synnerhet "first-person shooter" - tilltalar en typiskt manlig kognitiv profil. Standard spel designer, alltså införa en manlig snedrekrytering och förbrylla mellan spatial förmåga och kön. Den olyckliga verkligheten är att människor som är specialiserade på ungendered speldesign (Graner Ray, 2004) är en bristvara. Tänk på att de flesta spelspecialister (och studenter) är män, och att när leka ensamma med en experimentell paradigm de kommer, nästan oundvikligen, sluta designa en first-person shooter runt den.
- Använd speltid för att samla upprepade försök effektivt. Game-baserad event-related potentials experiment kräver samling av många upprepade prövningar (vanligtvis minst ett hundra per tillstånd) av många separata kognitiva uppgifter som skall utföras under en enda experimentella session utan att trötta den experimentella ämnet . Tänk hur stor andel av spelet tid under vilken experimentella studier kommer faktiskt utförs. Hur mycket av spelarens kontakt tid med spelet kommer att vara direkt vetenskapligt användbart om experimentella data, och hur mycket av denna kontakt tid kommer att "filler" som förbinder dessa experimentella studier tillsammans i ett spel berättelse? Design för att maximera den del av speltiden som kommer att vara användbara för datainsamling. För att undvika uppriktig upprepning, anser interspersing experiment av olika slag, till exempel ett aktivt beteende uppgift avbryts av en passiv sinnesretning. Efter att avvisa några dåliga försök, kan du samla tillräckligt många försök med fysiologiska genomsnitt, utan spelarens bli otålig eller uttråkad med spelet? Om svaret på den frågan är nej, måste du ändra designen.
- Undvik uppblåsthet experiment med ytterligare faktorer eller villkor Det kan vara frestande att lägga till villkor och variationer inom experimentella paradigm, för att ta itu med relaterade frågor -. Till exempel i ett uppmärksamheten uppgift Hur kan elektrofysiologi och beteendemässiga prestanda påverkas i ett sammanhang där distraktorer kan visas, jämfört med ett sammanhang där varje stimulus uppgift är relevant? Eller i ett sammanhang av multimodala kontra unimodala sensoriska signaler? I bästa fall skulle en sådan factoring lägga till användbar information, och fysiologiskt tillräckligt många försök skulle köpas inom varje faktor. I värsta fall, men leder factoring till ett "experiment svälla" där ingen enskild skick bär ett tillräckligt antal observationer, måste analysen kollapsa därför observationer över förhållanden, och det enda resultatet är en problematisk ökning inom-prov varians. Problemet med "experiment svälla" blir mer betydelsefull när experiment genomförs på ett spelformat, eftersom sorten är en önskvärd egenskap i ett spel. Lägg faktorer bara om du kan vara säker på att varje faktor för sig kommer att innehålla ett antal försök tillräckligt för utjämning, utan att driva spelaren till tristess. <li> Undvik tidsinställda händelser, ge spelaren kontroll över när saker händer, när det är möjligt, uppmana spelaren Många neuropsykiatriska populationer har svårt med exekutiva funktioner, det vill säga i snabbt planering och genomförande av åtgärder som svar på sensoriska ingångar.. De kan ha en stor skicklighet och i vissa uppgifter även utöver normal prestanda - men det kan vara ett intensivt studeras och beaktas, avsiktlig stil skicklighet, ofta inte uttrycks under tidspress. Därför är det viktigt att göra vissa att tidpunkten för händelserna styrs inte av datorn (förutom i de fall där försöket kräver det), men av spelaren. Små tillägg såsom en knappen "nästa" eller en "ready"-knappen kan göra hela skillnaden. Till exempel genomför en del av vårt spel (figur 1) en "go / no-go" test av exekutiva hämning, där spelaren är skyldig att svara eller att hålla inne ett svar baserat på identiteten hos ett mål som kommer ur en plats "maskhål". I stället för att orsaka målet att växa fram på en helt godtycklig tid, väntar vår mjukvara för spelaren att starta en balk som öppnar maskhål. Målet framträder då efter en slumpmässig fördröjning. Detta tillvägagångssätt gör mätning av förutseende och svar relaterade hjärnans elektriska händelser samtidigt som man tillåter spelaren att förbereda sig för beteende-sammanhang. Således, varhelst de begränsningar av den experimentella paradigmet tillåter, bör spel kan spelaren i centrum snarare än dator-centrerad, och spelet ska vara händelsestyrd snarare än tid-driven.
- Inte beroende på spelarens minne för instruktioner;. Prompt spelaren varje gång en naturlig följd av den verkställande funktionen problemet är att spelaren kan ha svårt att komma ihåg en sekvens av steg. Även om (s) har han lärt sig i en handledning som nyckel En utlöser handling X och viktiga B utlöser handling Y, dessa godtyckliga föreningar kanske inte bli ihågkommen, om spelaren har haft en chans att öva dessa åtgärder aktivt, många gånger om.
- En ytterligare konsekvens: Gör inte input-output-avbildningar beror på spelet staten Designers och speciellt implementatörer kan frestas att dölja funktioner inne undermenyer, till vilket tillträde är beroende av spelarens på rätt primära menyn klicka, eller att göra en. musrörelse göra något annorlunda efter ett klick än efter några klick (eller ännu värre, något annorlunda efter en vänsterklicka än efter en höger-klicka). Undvika sådana sekventiell logik i användargränssnittet. Om möjligt, använd rent kombinatoriska logik. Vissa sekventiell logik är naturligtvis oundvikligt - till exempel i övergången från ett spel sammanhang eller mini-spelet till en annan - men det bör användas sparsamt och endast när det är absolut behövs.
- Istället för en sekvens av åtgärder, be om en åtgärd vid en tidpunkt. Snabba åtgärder kan vara svårt nog i sig, men när neuropsykiatriska patienter möter den ökade efterfrågan av att utföra flera av dessa åtgärder snabbt och i rätt ordning de kan känna sig mycket överväldigad . Istället för att kräva sekvenser av ingångar som svar på en enda snabb, försök att snabbt separat för varje ingång.
- Använd bilder, inte enbart ord Spelare med underskott i språk, läsning, uppmärksamhet, eller minne kanske inte förstår textuella instruktioner -. Inte för att spelaren är oförmögen att förstå, utan för att (s) han koncentrerar sig så mycket på avkodning av enskilda ord som (s ) kan han inte ledig mycket ansträngning för att sätta dessa ord ihop till innebörden av fullständiga meningar och berättelser. Ibland är texten är oundviklig, om text används, undvik ordrikedom, inte skräpar skärmen med ord, inte innehåller serier av "nästa" meddelanden som separata passager i hanterbara bitar, och tillåter spelaren att gå bakåt genom dessa uppmanas att granska text som (s) har han redan sett.
- Spelarna ska lära sig genom att göra, inte bara genom att observera och läsa eller lyssna I detta avseende patientgrupperna skiljer sig inte från människor i allmänhet:. Vi alla lär sig bäst när vi kan vara aktiva snarare än passiva elever. De utmaningar som neuropsykiatriska patienter gör det ännu viktigare att spelet verksamhet omfattar learning-by-doing, snarare än beroende på learning-by-läsa eller learning-by-lyssnande. Detta gäller särskilt i spelet handledning eller instruktioner.
- Undvik beroende på samtidiga eller nästan samtidiga händelser i olika perceptuella kanaler (t.ex. olika platser på skärmen, eller olika sinnen såsom video med ljud). Vissa neuropsykiatriska patienter kan ha svårt med perceptuella integration, och kan fokusera på endast en perceptuella kanal i en gång. När vi fokuserar på en punkt eller område på displayen, kan händelser bort från denna rumsliga fokus register inte. Anathema för denna typ av spelare skulle vara en cockpit display med många mätare som visar olika mängder som behöver alla be observerade samtidigt - eller en bildskärm som måste iakttas samtidigt som ett uttalat eller annan ljudsignal. Istället bör antingen informationen visas i en region i displayen eller en sensorisk kanal eller gott om tid bör tillåtas att skifta uppmärksamheten mellan punkter i visuell rymd eller mellan sensoriska kanaler. I spelare med autism, till exempel förändringar av uppmärksamhet kan ta 2 till 3 sekunder (Belmonte, 2000) - tio gånger så lång som för andra spelare! Tänk hur det skulle vara att vara att titta på displayen genom en lång teleskop som förstorar ett litet område, men stänger ute i periferin.
- Undvik att framkalla onödig oro Neuropsykiatriska populationer kan vara mycket mer benägna att ångest än andra spelare. - Särskilt när de ställs inför en ny och ovana uppgiften, eller med en tidsinställd uppgift, eller med ett interaktivt scenario som är utanför deras kontroll. Göra allt för att göra vissa att spelaren, inte datorn, är ett styr vad som händer härnäst, och att spelaren har alla möjligheter att öva och bli bekväm med kraven i spelet. Överväga att ta en handledning som tillåter spelaren att gå igenom alla handlingar i spelet - t.ex. klick och knapptryckningar - som (s) han får instruktioner.
- För upprepade händelser, varierar tidpunkten något så att tiden mellan två på varandra följande instanser av händelsen är inte konstant. Signalbehandling experter vet fenomenet aliasing, där en diskret provtagning av en högfrekvent signal vid för låg samplingshastighet producerar en artefactual lågfrekvent svängning. Frågan kring EEG åtgärder för upprepade händelser har mycket gemensamt med aliasing. Betrakta som exempel den situation som föreligger när en rörelse knapp trycks och hålls: spelarens avatar kommer att flytta vid en viss hastighet, låt säga, en gång var 500 ms. Antag att man är intresserad av hjärnan svar på rörelsen effekten. Antag emellertid också att det finns en pågående, endogena (det vill säga internt driven) 10 Hz svängningar i syncentrum som inte har något direkt att göra med denna exogena fenomen. Eftersom 500 ms är en integrerad multipel av 100 ms för denna svängning, provtagning av exogena hjärnan svaret på varje rörelse kommer också provsmaka endogena svängning på samma ställe i sin fas varje gång, och analysen skulle därför misattribute de endogena signal en exogen reaktion på rörelsen stimulans. För att undvika denna tvetydighet i EEG-analys, kan man lägga en liten mängd tidsmässiga jitter att intervallen mellan stimuli (Luck, 2005, s. 135) - inte så mycket att göra dem verkar onaturligt variabel till spelaren, men tillräckligt för att få bli av med denna fas artefakt. Det exakta beloppet beror på vad som verkar naturligt med tanke på händelsen separation, i detta exempel på en 500 ms händelse vi kan anse att någon variation mer än 10% av intervallet i endera riktningen verkar onaturligt, så vi kan sedan välja att variera intervall över en likformig fördelning mellan 450 ms till 550 ms. Lägg så mycket timliga jitter som känns naturligt, utan att offra spelbarhet.
- . Design med utbyggbarhet i åtanke Väckande komplett dataspel från idé till förverkligande är ett tidskrävande och arbetsintensiva företag - du kan hitta dig själv, effektivt, arbeta en dag jobb som forskare och en natt jobb som speldesigner och projektledare manager! Det är logiskt därför att göra spelet flexibel och utbyggbar, så att experiment som kanske inte har tänkt när spelet utformades först kan läggas utan att definiera och implementera ett helt nytt spelsystem. Detta mål av tänjbarhet kan förverkligas dels i speldesign och delvis i programvaran design.
I speldesign, överväga ett system som tillåter tillägg av nya spel moduler. I vårt system är en av de viktigaste spel som stöds av en utbyggbar uppsättning mini-spel: spelarna måste ange varje minispel för att få eller behålla resurser som är av värde i huvudspelet. Varje minispel bäddar 02:58 experiment. Till exempel att ha utformat ett utrymme koloni, spelarna in en verkställande-funktion och visuell perception mini-spel där man styr ett rymdskepp genom en drivande stjärna fält och besluta hur man ska bemöta vänskapliga eller motståndare rymdskepp (figur 1), en visuell uppmärksamhet mini-spel där de upptäcker asteroider som kan brytas för råvaror för att bygga denna koloni (figur 2), en känsla, perception mini-spel där de hjälper till i en diplomatisk förhandling genom att matcha upp i ansiktet på olika människor som visar samma känslor (Figur 3), och en social kognitiv minispel där de hindra pirater som vill stjäla deras koloni leveranser (Figur 4). I praktiken är det ganska enkelt att hitta en inbilskhet inom vilken en ny experimentell uppgift kan integreras i spelet berättelse - men den allmänna anläggningen för att möjliggöra denna integrering måste designed in a priori.
Även spelarna är medvetna om det allmänna faktum att de är att utföra experiment, är de experimentella datainsamling diskret: Under styrningen uppgiften en maximal sannolikhet estimator (Pentland, 1980; Lieberman & Pentland, 1982) beräknar spelarens psykofysiska tröskeln för uppfattning av sammanhängande rörelse drivande stjärnan fältet. Under asteroid uppgift är blicken kvar längst ner i mitten på displayen för att titta på för föroreningar i malmen processorn (och detta blick riktning kontrolleras av blick tracker), medan de fyra sektorer som asteroider kan förekomma flimrar på en annan grundläggande frekvens (den minsta gemensamma multipeln som är stor) och hemliga uppmärksamhet är riktad till en av dessa sektorer som svar på en rumslig kö. Förändringar i den spektrala innehåll av EEG kan sedan utvärdera tiden loppet av hemliga uppmärksamhet baserade på EEG amplituder av flimmer frekvenser som märka varje sektor (Morgan et al, 1996;. Belmonte, 1998).
I programmet bör "spelmotor" ger inte bara de vanliga centrala delarna för grafisk bildskärm (t.ex. partikel-motor), men också alla vanliga faciliteter för experimentell kontroll och dataloggning som kommer att behövas av alla experiment. I synnerhet bör spelmotorn tillhandahålla metoder för att visa externt levererade stilla och rörliga bilder grafiska tillgångar och ljud och en händelselogg som skriver till en lokal skiva fil och också genom en utgång (vi använder standard parallellporten) för att synkronisera med en beteendevetenskaplig eller fysiologisk data recorder som en blick tracker, en EEG-system, eller en fMRI skanner. - Erbjuda en metod för att logga spelhändelser I vårt system innehåller loggfilen på skivan ett superset av data som skickas via parallellporten:. Medan parallellporten får bara osignerat 8-bitars händelsekoder 1 till 255, innehåller skivan filen ( 1) en tidsstämpel klocka tickar, (2) en tidsstämpel i mikrosekunder, (3) den numeriska händelsen koden skickas via parallellporten, (4) en sträng mnemonic är unik för denna händelse kod, och (5) en lista över (parameter namn, parametervärdet) par. Exempelvis kan förekomsten av ett stimulus (t.ex. en asteroid) vid vissa absoluta eller kantiga visa koordinater betecknas med en lämplig händelse kod och mnemonic med de två koordinaterna som parametrar. Eftersom det kan finnas mer än 255 unika evenemang, överväga att utfärda händelse koder som markerar början och slutar i slutna sammanhang (t.ex. enskilda minispel eller scenarier spel) inom det huvudsakliga spelet, och återanvända koder händelse från ett sammanhang till en annan. Tidsserierna av numeriska händelsekoder loggas av externa data recorder och tidsserier av detaljerade och parametriserade händelsekoder loggas i den lokala loggfil sedan kan användas för att placera loggfilen och externa data fil (er) i temporal registret.
- Logghändelse koder för precis allting. Har spelarens avatar bara flytta (antingen på grund av att rörelsen nyckeln har bara varit deprimerad, eller att det har varit nertryckt hela tiden och upprepar)? Det är en händelse. Har någon form av rörelse starta eller stoppa eller ändra hastighet? Det är en händelse. Absolut allt som händer i spelet ska redovisas med en händelse kod. Praktiker kan alltid ignorera händelsekoder om de beslutar att de inte är av intresse i analysen. Vad man inte kan göra, är naturligtvis att gå tillbaka och sätta händelsekoder efter det att uppgifterna har registrerats. Så satte allt på - du vet aldrig vad som kan vara användbara, kanske inte omedelbart men i vissa post hoc data mining.
2. Förbered Utrustning
- En timme innan frågan kommer, balans elektroderna genom att blötlägga dem i ett saltbad (1 tesked salt per 1 liter destillerat vatten) i 5 till 10 minuter. Lämna inte elektroder i någon vätska längre än 10 minuter åt gången. Balanserad elektroder har små (+ / - 20μV) förskjutningar.
- Strax innan ämnet kommer, slå på blicken spårning kameran, konverterare och datorer.
Vår inställning använder fyra datorer (se Figur 5): en dedikerad blicken-tracking dator (GC), en dedikerad EEG förvärv dator (EG), en dedikerad stimulus presentation dator (SC), och en dator för video förvärv och analys av data (VC ).
Två omvandlare lådor (Figur 6) manipulera VGA-utgångar från GC och SC och skicka en skarvas videosignal till VC. På detta sätt kan skärmen ses av ämnet överlagras med en markör som representerar dagens fixering och en tidsstämpel spelas in till en videofil på VC.
3. EEG-Setup
- Mät omkretsen på ämnet huvud runt pannan och Inion. Välj en elektrod lock så att en persons omkrets är nära mitten av mätområdet för den gemensamma jordbrukspolitiken.
- Spela mätningen från motivets nasion att Inion och left ytterörat till höger ytterörat.
- Placera locket på ämnet huvud. Se till att taggen är utanför den gemensamma jordbrukspolitiken, vilande på ämnet hals. Flytta huven tills A1 (elektroden på vertex) är centrerad i förhållande till nasion-Inion och ytterörat-ytterörat yxor, och den gemensamma jordbrukspolitiken mittlinjen (A25-C17) är parallellt med mittlinjen i ämnet huvud.
- Applicera ett lim ringen till plasthölje av elektroder EX5 och EX6. Rikta öppnandet av ringen med elektroden pellets. Ta bort skyddspappret från den självhäftande ringen och täcker elektroden kontakt med ledande gel. Placera EX6 i ämnet rätt mastoideus och EX5 på motivets vänstra mastoideus.
- Använd en spruta för att placera ledande gel i varje elektrod bostäder. Vicka på sprutans topp till en del i ämnet hår, sedan samtidigt tryck in kolven och dra sprutan bort från huvudet. Fyll tills gel är i jämnhöjd med toppen av plasthölje.
Det är bättre att ha för lite gel än för mycket. Vid för lite gel kan mer alltid läggas till. Med för mycket gel, kan överskottet blöda mellan elektrod platser, vilket orsakar elektrod överbrygga. Om elektroder blir överbryggas, ta bort locket, har ämnet tvätta och torka håret och börja om igen. - Med pluggen änden över axeln och sensorerna i ena handen, försiktigt placera varje elektrod i motsvarande bostäder. Fatta bara plast hölje av elektroder och vara noga med att inte crimp ledningarna.
Det är viktigt att inte röra elektroden tips. Kontakt med hud eller kläder kommer att försämra kvaliteten på elektroderna. - Placera ledande gel på EX1-EX4 och använda självhäftande ringar för att fästa dem på motivets ansikte. Placera EX1 och EX2 ca 1 cm horisontellt från försökspersonens vänster och höger yttre canthi, respektive. Placera EX3 och EX4 om 1 cm nedanför mitten på försökspersonens vänster och höger öga på zygomatic benen.
- Försiktigt samla elektrod leder bakom motivet och löst linda CMS / DRL leda runt de andra för att skapa en hästsvans. Placera kardborre band upptill och nedtill på hästsvans för att hålla leder på plats. Använd medicinsk tejp för att fästa hästsvans till kläder i ämnet rygg.
- Applicera 0,5% KCl-lösning (Lykken & Venables, 1971) till varje GSR elektrod. Använd medicinsk tejp för att fästa GSR elektroder till index och ring fingrarna av ämnets icke-dominanta handen.
- Har ämne sitta i en icke-liggande, stationär stol framför den stimulans presentationen monitorn. Anslut alla elektroder i EEG-konverterare.
Liten (+ / - 40 μV) förskjutningar är acceptabla. Om någon elektrod visar en offset är större än + / - 40 μV, försiktigt bort elektroden från den gemensamma jordbrukspolitiken, använda mer gel och återgå elektroden.
4. Gaze Spårning Setup
- Klistra fast ett mål klistermärke ovanför motivets ögonbryn mediala för ögat.
- Starta EyeLink Popup-kalibrering programmet på VC. Börja en ny session och använda CMD gränssnittet för att slå på händelseloggning för blicken tracker. Ange värdet "file_event_filter" lika med "VÄNSTER, HÖGER, fixering, blink, meddelande, BUTTON, SACCADE, INPUT" En fullständig lista över kommandon finns i filen DATA.INI som medföljer EyeLink programvaran.
- Från EyeLink Popup-kalibrering, starta Camera Setup. Placera kameran så att målet klistermärke och motivets ögon är centrerad. Justera fokus tills ögat som ska spåras är tydlig.
- Kalibrera och validera blicken spårningssystem till ämnet med nio-punkt-matris. Efter godkännande, etiketter på EyeLink programvaran varje kalibreringspunkt med felet i grader av visuella vinkeln mellan kalibrerade och validerade åtgärder. I ett acceptabelt bra kalibrering, inte överstiger den genomsnittliga felet i alla Kalibreringspunkterna 1 °, och felet på någon given punkt inte överstiger 1,5 °. I en mycket bra kalibrering, medelfel inte överstiger 0,5 °, och den största enskilda punkter felet inte överstiger 1 °.
Om kalibreringen misslyckas, se till att eleven och hornhinnan reflektion trösklar är lämpliga. Om justering av dessa värden inte lindra kalibrering problem, växla ögon och kalibrera. Se till att samplingshastigheten är inställd på 500 Hz genom att klicka på 500 Hz knappen till vänster av kameran inställningsmenyn.
Den optiska och beräkningsmässiga processer genom vilka blickar position är beräknat är interna för blicken tracker och behöver inte vara känd av användarna av detta förfarande. I korthet fungerar tekniken genom att belysa ögat med infrarött ljus. Ljus inkräkta på näthinnan reflekteras ut ur ögat på samma väg längs vilken den trädde - detta är den optiska egenskapen som orsakar "röda ögon" i Flash bilder tagna med kompaktkameror. För att en kamera placeras alltför nära ljuskällan kommer dock eleven mörk. Samtidigt är en del av belysningen reflekteras från co rnea som en liten, intensiv glimt beror ställning som endast på positionen av huvudet och inte på riktningen av blicken i ögat. Den positionella skillnaden mellan de mörka eleven och hornhinnan glimt sedan kan mappas matematiskt till riktning blick (Ebisawa, 1998). Blicken-tracking dator loggar en tidsserie av den resulterande point-of-fråga koordinater, integrerat med händelsen koder från den stimulans-presentationen dator.
5. Börja Datorspel
- Från popup-kalibrering program, börja datainspelning blick. Start videoinspelning på VC och EEG-inspelning på EG.
- På SC, starta TV-spelet.
- För auditiva stimuli, byta ut den passiva högtalare i SC för högtalare. Anslut och slå på förstärkaren. Med hjälp av en ljudnivåmätare, ställ in volymen till en nivå som är tillräcklig för att uppnå maximal amplitud (t.ex. 80 dB) krävs av den experimentella paradigm.
6. Ren utrustning
- När motivet har avslutat spel, avslutar spelet och stoppa inspelningen data genom att trycka på "Stop"-knappen i det grafiska gränssnittet på EG-, GC och VC. Stäng av och dra ur förstärkaren och ersätta den passiva högtalare.
- Fyll en liten plasthink 4-5 cm djup med destillerat vatten och mikrovågsugn på hög i 90 sekunder.
- Stäng av EEG-omvandlare och koppla bort alla leder från omvandlaren rutan. Ta bort den medicinska bandet och kardborre band från hästsvans av EEG leder.
- Grasping elektroderna med plasthölje bara, ta bort alla elektroder och placera sensorer i det varma destillerat vatten. Efter den gemensamma jordbrukspolitiken elektroderna har tagits bort, ta bort locket från försökspersonens huvud. Kom ihåg att ta bort limmet ringar från elektroderna innan du doppa dem i vattnet.
- Använd en sprayflaska fylld med destillerat vatten för att avlägsna gelen kvar på elektroderna.
- Använd varmt kranvatten och tvål för att ta bort gel från elektroden locket.
7. Data Analysis
- På SC, konvertera blick-tracking EDF datafil till ASCII-text med hjälp av EyeLink edf2asc ansökan.
- Konsolidera data filer till VC, då startar Toolkit Astropolis Processing (APT).
APT är ett open source MATLAB (R2008a, The MathWorks, Natick, MA) Toolkit byggt på öppen källkod EEGLAB miljön (Delorme & Makeig, 2004). Den integrerar de olika datafiler som produceras av denna experimentella paradigm och automatiserar beteende och EEG analys. Denna automatisering inkluderar förbehandling och artefakt avvisande, utökad Infomax oberoende komponent analys (ICA) som genomförs med runica algortihm (Makeig et al., 1997) i EEGLAB, och motsvarande dipol lokalisering.
8. Representativa resultat
De resultat som presenteras här har erhållits från pilot-uppgifter att undersöka barn i åldrarna 10-15 år i tre grupper: personer med en autismspektrum tillstånd (ASC), syskon utan någon klinisk diagnos (SIB), och typiskt utvecklade barn (typ). Blicka spåra data har använts för att förkasta studier där ämnet blick har avvikit från stimuli av intresse. (Mer intrikata tillämpningar av blick data är också möjligt, till exempel med hjälp av blickar som en parameter i data fysiologiska och beteendemässiga genomsnitt.)
Figur 7 visar en händelse i samband med spektrala störning från en främre medellinjen elektrod (Fz). PresentEnemy är motsvarar utseendet på ett fiendeskepp (Go) och PresentFriendly motsvarar utseendet av en vänlig fartyg (No-Go). Under No-Go tillstånd, visade TYP gruppen signifikant högre gamma effekt (30-75 Hz) 500-1500 ms efter stimulans.
APT möjliggör enkel jämförelse mellan fysiologiska och psykometriska åtgärder. Till exempel i vår analys, alfa ström (8-12 Hz) under samma tidsperiod (300-1500ms efter stimulus) för No-Go-studier under denna icke-socialt uppmärksamhet uppgift var negativt korrelerad med prestanda på ett mått av social perception, de Benton ansiktsigenkänning test (Benton et al., 1994).
Figur 1: video av Maritime Defender (go / no-go och dot-köruppdrag samstämmighet)
Klicka här för att titta på video.
Figur 2: video av Stellar Prospector (modifierad Posner visuell rumslig uppmärksamhet uppgift)
Klicka här för att titta på video.
Figur 3: video av faceoff (ansiktsbild känsla erkännande)
Klicka här för att titta på video.
Klicka här för att titta på video.
Figur 5: Kablage diagram över laboratoriet installationen.
Figur 6: Konverteraren kabeldragning diagram över laboratoriet installationen.
Figur 7: Händelse-relaterade spektrala störningar i Go / No-Go uppgift redovisas till Fz PresentEnemy = Gå stimulans; PresentFriendly = No-Go stimulans, ASC = autism grupp, SIB = syskon grupp, TYP = kontrollgrupp..
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den kanske enskilt viktigaste hindret för integrativa studier är den praktiska gränsen för hur mycket tid som en enda försöksperson (särskilt ett från en klinisk population) rimligen kan förväntas utföra innan att bli trött. Tyvärr ofta mer kontrollerad en stimulans är från vetenskapsmannen synvinkel, desto mer repetitiva och tråkiga experimentet verkar från ämnet synvinkel. Beteendevetenskap forskning om neuropsykiatriska funktionshinder har under senare år betonat vikten av motivation, beteende-set, och uppgift undervisning i upprättandet kognitiv strategi och bestämma prestanda (t.ex. Plaisted et al 1999,.. Dalton et al 2005). Mot bakgrund av dessa överväganden har vi inbäddade experimentell stimuli i samband med ett videospel som fångar och underhåller ämnen intresse, transparent samla beteendemässiga data och synkronisering med fysiologisk inspelning som ämne spelar spelet. Den praktiska fördelar av en sådan engagerande och ekologiskt giltigt format över de vanliga återkommande block av studier är legio. I själva verket, olika nivåer och krav uppmärksamhetsproblem skiftande och multimodal integrering är naturliga i samband med video-spel, och psykofysiska åtgärder såsom dot rörelse samstämmighet och inbäddade siffrorna är enkla att genomföra, som till exempel förflyttning av en stjärna fält på en uppfattning skärmen och upptäckten av ett objekt i en rörig miljö. Dessutom gör den strategiska och kontradiktoriska karaktären av ett videospel naturliga möjligheter att utforska högre nivå kognitiva åtgärder, såsom förståelse av spelrelaterade berättelser och sociala tillskrivning till en datorgenererad motståndare. Videospel framkalla mätbara förändringar i uppmärksamhet och perceptuella processer (Green & Bavelier 2003, 2006ab, 2007, Castel et al 2005,.. Feng et al 2007), och TV-spelet formatet används alltmer att förvärva samtidiga beteende och EEG observationer i ekologiskt giltigt sammanhang, till exempel i visuomotor spårning (. Smith et al 1999), flygtrafikledning (Brookings et al 1996.) och militära befäl och simuleringar kontroll (St John et al 2002, 2004;. Berka et al 2004). . Senaste resultaten i människa-datorinteraktion (von Ahn 2006) pekar också på styrkan i spelet sammanhang för att upprätta och upprätthålla motivation i uppgifter som annars kanske inte verkar engagerande, att undervisa personer med utvecklingsstörningar (Golan & Baron-Cohen 2006) och utbilda exekutiva funktioner (Thorell et al., 2009). Även längs dessa linjer, ger TV-spelet formatet ämnen mer av en chans att bli bekväm med uppgiften innan laboratoriet, vilket minimerar potentiella förväxla av statliga ångest i samband med utförandet av en obekant uppgift i ett test situation.
En ny generation av EEG förstärkare som kan matcha mycket högre hårbotten impedans (Ferree et al., 2001), kombinerat med sensor duk som parallellise processen elektrodplacering och elektrolyt ansökan har betydligt mindre tid elektrod ansökan och krav på ämnet följs, så att hög densitet EEG inspelning i ett bredare spektrum av patienter. Ännu mer markant, under de senaste tio åren som biologer har börjat kommunicera bättre med fysiker och matematiker, föråldrade univariat analysmetoder i tidsplanet har ersatts av multivariata metoder som oberoende komponenter analys (Bell & Sejnowski, 1995) och tid frekvens analyser som grund inte bara för signaler fas-låst på stimuli eller respons händelser utan också för signaler som består av störningar i pågående oscillationer (Makeig et al., 2002, 2004). Dessa praktiska och analytiska utvecklingen har öppnat elektroencefalografi till ett bredare spektrum av föremål populationer och beteendemässiga sammanhang. Med denna utveckling har dock vikten av att bevara ekologisk validitet bara ökat. Kognitiva uppgifter som genomförs inom ramen för ett dataspel kan vara mer flexibelt kombineras med samtidig blick spårning och hög densitet EEG, och avkastning uppgifter av större ekologisk validitet. (Detta gäller särskilt om ämnena ges tid att bekanta sig med spelet innan inspelningen. För vår studie fick försökspersonerna lånade bärbara datorer som att öva spelet minst två veckor före registreringen.) I framtiden kommer Spelet paradigm kan bli norm i neurofysiologiska och beteendevetenskaplig forskning, särskilt när barn eller kliniska populationer är berörda.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Detta projekt är finansierat av Autism Speaks Pilot Research Grant # 2597 och av amerikanska National Science Foundation fakulteten Early Career Development Award # BCS-0.846.892.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 128-channel BioSemi ActiveTwo measurement system | BioSemi | http://www.biosemi.com | |
| 32 channel A-set + CMS/DRL | BioSemi | P32-ABC-ACMS | |
| 32 channel B-set | BioSemi | P32-ABC-B | |
| 32 channel C-set | BioSemi | P32-ABC-C | |
| 32 channel D-set | BioSemi | P32-ABC-D | |
| EX1-EX8 electrodes | BioSemi | 8 x TP PIN | |
| 128-channel cap | BioSemi | CAP M 128 | |
| EyeLink 1000 infrared gaze tracker | SR Research Ltd. | ||
| EyeLink 1000 Remote Camera Upgrade | SR Research Ltd. | n/a | Allows for target sticker tracking |
| SignaGel electrode gel | Parker Laboratories Inc. | n/a | |
| 0.05% KCl electrolytic (NaCl) gel | N/A | n/a | Purchased from compounding pharmacy |
| Intensity Pro | Blackmagic Design |
References
- Bell, A. J., Sejnowski, T. J. An information maximisation approach to blind separation and blind deconvolution. Neural Computation. 7, 1129-1159 (1995).
- Belmonte, M. K. Shifts of visual spatial attention modulate a steady-state visual evoked potential. Cognitive Brain Research. 6, 295-307 (1998).
- Belmonte, M. K. Abnormal attention in autism shown by steady-state visual evoked potentials. Autism. 4, 269-285 (2000).
- Benton, A. L., Sivan, A. B., Hamsher, K., Varney, N. R., Spreen, O. Contributions to Neuropsychological Assessment. , Oxford University Press. New York. (1994).
- Berka, C., Levendowski, D. J., Cvetinovic, M. M., Petrovic, M. M., Davis, G., Lumicao, M. N., Zivkovic, V. T. Real-time analyses of EEG indexes of alertness, cognition and memory acquired with a wireless EEG headset. International Journal of Human-Computer Interaction. 17, 151-170 (2004).
- Bradley, M. M., Miccoli, L., Escrig, M. A., Lang, P. J. The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation. Psychophysiology. 45, 602-607 (2008).
- Brookings, J. B., Wilson, G. F., Swain, C. R. Psychophysiological responses to changes in work-load during simulated air traffic control. Biological Psychology. 42, 361-377 (1996).
- Castel, A. D., Pratt, J., Drummond, E. The effects of action video game experience on the time course of inhibition of return and the efficiency of visual search. Acta Psychologica. 119, 217-230 (2005).
- Chaytor, N., Schmitter-Edgecombe, M. The ecological validity of neuropsychological tests: a review of the literature on everyday cognitive skills. Neuropsychology Review. 13, 181-197 (2003).
- Dalton, K. M., Nacewicz, B. M., Johnstone, T., Schaefer, H. S., Gernsbacher, M. A., Goldsmith, H. H., Alexander, A. L., Davidson, R. J. Gaze fixation and the neural circuitry of face processing in autism. Nature Neuroscience. 8, 519-526 (2005).
- Delorme, A., Makeig, S. EEGLAB: an open source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics. Journal of Neuroscience Methods. 134, 9-21 (2004).
- Ebisawa, Y. Improved video-based eye-gaze detection method. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 47, 948-955 (1998).
- Feng, J., Spence, I., Pratt, J. Playing an action video game reduces gender differences in spatial cognition. Psychological Science. 18, 850-855 (2007).
- Ferree, T. C., Luu, P., Russell, G. S., Tucker, D. M. Scalp electrode impedance, infection risk, and EEG data quality. Clinical Neurophysiology. 112, 536-544 (2001).
- Golan, O., Baron-Cohen, S. Systemizing empathy: teaching adults with Asperger syndrome or high-functioning autism to recognize complex emotions using interactive media. Development and Psychopathology. 18, 591-617 (2006).
- Graner Ray, S., S, Gender inclusive game design: Expanding the market. , Charles River Media. Hingham, Massachusetts. (2004).
- Green, C. S., Bavelier, D. Action video game modifies visual selective attention. Nature. 423, 534-537 (2003).
- Green, C. S., Bavelier, D. Enumeration versus multiple object tracking: the case of action video game players. Cognition. 101, 217-245 Forthcoming.
- Green, C. S., Bavelier, D. Effect of action video games on the spatial distribution of visuospatial attention. Journal of Experimental Psychology Human Perception and Performance. 32, 1465-1478 (2006).
- Green, C. S., Bavelier, D. Action-video-game experience alters the spatial resolution of vision. Psychological Science. 18, 88-94 (2007).
- Hafed, Z. M., Clark, J. J. Microsaccades as an overt measure of covert attention shifts. Vision Research. 42, 2533-2545 (2002).
- Lieberman, H. R., Pentland, A. P. Microcomputer-based estimation of psychophysical thresholds: the best PEST. Behavior Research Methods and Instrumentation. 14, 21-25 (1982).
- Luck, S. J. An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , MIT Press. Cambridge, Massachusetts. (2005).
- Lykken, D. T., Venables, P. H. Direct measurement of skin conductance: a proposal for standardization. Psychophysiology. 8, 656-672 (1971).
- Makeig, S., Delorme, A., Westerfield, M., Jung, T., Townsend, J., Courchesne, E., Sejnowski, T. J. Electroencephalographic brain dynamics following manually responded visual targets. PLoS Biology. 2, e176-e176 (2004).
- Makeig, S., Jung, T., Bell, A. J., Ghahremani, D., Sejnowski, T. J. Blind separation of auditory event-related brain responses into independent components. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94, 10979-10984 (1997).
- Makeig, S., Westerfield, M., Jung, T. P., Enghoff, S., Townsend, J., Courchesne, E., Sejnowski, T. J. Dynamic brain sources of visual evoked responses. Science. 295, 690-694 (2002).
- Morgan, S. T., Hansen, J. C., Hillyard, S. A. Selective attention to stimulus location modulates the steady-state visual evoked potential. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93, 4770-4774 (1996).
- Pentland, A. P. Maximum likelihood estimation: the best PEST. Perception and Psychophysics. 28, 377-379 (1980).
- Plaisted, K., Swettenham, J., Rees, L. Children with autism show local precedence in a divided attention task and global precedence in a selective attention task. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 40, 733-742 (1999).
- Posner, M. I. Orienting of attention. Quarterly Journal of Experimental Psychology. 32, 3-25 (1980).
- Smith, M. E., McEvoy, L. K., Gevins, A. Neurophysiological indices of strategy development and skill acquisition. Cognitive Brain Research. 7, 389-404 (1999).
- St John, M., Kobus, D. A., Morrison, J. G. A multi-tasking environment for manipulating and measuring neural correlates of cognitive workload. Proceedings of the 2002 IEEE 7th Confer-ence on Human Factors and Power Plants, 15-19 Sept. 2002, Scottsdale, Arizona, , IEEE. New York. (2002).
- St John, M., Kobus, D. A., Morrison, J. G., Schmorrow, D. Overview of the DARPA augmented cognition technical integration experiment. International Journal of Human-Computer Interac-tion. 17, 131-149 (2004).
- Thorell, L. B., Lindqvist, S., Nutley, S. B., Bohlin, G., Klingberg, T. Training and transfer effects of executive functions in preschool children. Developmental Science. 12, 106-113 (2009).
- Valla, J. M., Ganzel, B. L., Yoder, K. J., Chen, G. M., Lyman, L. T., Sidari, A. P., Keller, A. E., Maendel, J. W., Perlman, J. E., Wong, S. K. L., Belmonte, M. K. More than maths and mindread-ing: sex differences in empathising/systemising covariance. Autism Research. , Forthcoming (2010).
- Witkin, H. A. Individual differences in ease of perception of embedded figures. Journal of Personality. 19, 1-15 (1950).
- Witkin, H. A., Lewis, H. B., Hertzman, M. Personality through Perception. Machover, K., Meissner, P. B., Wapner, S. , Greenwood Press. Westport, Connecticut. (1954).
- Wimmer, H., Perner, J. Beliefs about beliefs: Representation and constraining function of wrong beliefs in young children's understanding of deception. Cognition. 13, 103-128 (1983).
- von Ahn, L. Games with a purpose. Computer. 39, 92-94 (2006).
