利用脑电图测量比较特定任务的神经效率：空间智力任务

摘要

本手稿描述了一种在人类解决空间聚焦的工程问题时测量其神经活动的方法。脑电图方法有助于从神经效率角度解读β脑波测量结果，旨在最终实现不同问题类型之间以及不同参与者之间的任务表现比较。

摘要

空间智能通常与工程教育和工程职业的成功相关。利用脑电图（electroencephalography）技术，可以在个体完成一系列需要空间能力以得出解决方案的任务时，对其神经效率进行比较计算。此处的神经效率定义为：相较于其他群体或其他任务，在执行某项任务时表现出更少的β波激活，因而消耗更少的神经资源。对于持续时间相似的任务之间的比较，这些测量结果可用于评估不同类型任务的难度差异。在个体内部及个体之间的比较中，这些测量结果可为参与者空间能力水平以及不同工程问题解决任务的特点提供潜在的洞察。所选任务的表现可被分析，并与β波活动进行相关性分析。本研究提出了一项详细的研究方案，用于探究学生在解决典型空间能力问题和静力学（Statics）问题时的神经效率。学生完成了针对心理切割测试（Mental Cutting Test, MCT）、普渡空间可视化旋转测试（Purdue Spatial Visualization Test of Rotations, PSVT:R）以及静力学问题的专项题目。在解决问题的过程中，通过脑电图（EEG）记录参与者的脑电活动，从而采集关于α波和β波脑电激活状态与使用情况的数据。该研究旨在将纯空间任务的功能性表现与空间要求较高的工程任务进行关联，以识别在工程领域取得成功表现的神经通路，并推动工程教育的相应改进。

引言

空间能力对科学、技术、工程和数学（STEM）领域及其教育至关重要，并与在这些领域的成功表现密切相关^1,2,3。因此，理解空间能力如何影响问题解决能力的发展具有重要意义⁴。已有研究将空间能力与兴趣⁵、表现⁶、工程学科成绩⁷以及工程专业人员的职业成就⁸联系起来。然而，目前尚缺乏足够研究揭示在解决典型空间能力测试任务时所涉及的具体神经机制，也缺乏针对高度依赖空间能力的特定工程学科内容的深入探讨。

本文介绍了将空间能力测试得分与神经测量数据相结合的数据收集与分析方法。通过 JoVE 发表的目的是使这些方法能够被更广泛的受众获取。本研究使用了通用的硬件和软件设备。作为一篇方法学论文，本文未报告完整的结果或数据集，也未提供多个样本。所有图像均为本出版物专门采集。下述方法曾用于准备一份初步的会议报告⁹，该报告基于八名大学二年级年龄阶段的参与者数据，其中三名为女性。

目前有许多现有仪器用于评估个体固有或后天习得的空间能力水平。其中两种有效且可靠的^10,11常用工具是心理切割测试（Mental Cutting Test, MCT）¹²和普渡空间可视化旋转测试（Purdue Spatial Visualization Test of Rotati....

方案

关于使用人类参与者的伦理声明

本研究涉及的实验程序已获得犹他州立大学机构审查委员会（IRB）批准，适用于人类受试者研究。建议任何类似的研究也应获得相应机构审查委员会的批准。参与者可在实验过程中的任何时间停止或退出研究。

1. 受试者选择

1. 从正在修读静力学课程的学生中自愿选择参与者。确保参与者在参与研究时已接触过他们将要看到的静力学内容。
   注意：理想情况下，参与者应在参与研究前至少四周通过课堂讲授等形式接触过相关材料，以便有足够时间巩固概念并形成不同的表现水平。
2. 按照所有机构审查委员会（IRB）的规程开展招募工作。向潜在参与者详细说明所有程序和限制。描述未来可能的联系范围，以及研究结果可能如何发表和/或向参与者提供。明确参与研究可能获得的任何补偿。若志愿者决定参加研究，仅由主要研究者知晓并控制其唯一的双编码身份识别码。
   注意：针对特定人群的招募需进行统计分析，以验证样本的统计功效及分析脑电波数据中个体差异所需的参与者数量。若研究者希望在不同人群间开展比较研究，则应进行功效分析，以确定两个群体适当的参与者规模。
3. 选择能够代表参与者预期学习体验的活动或问题。
   注意：在本方案中，选取了修读静力学课程的大二工程学学生。被认为相关的活动包括基础静力学内容中的问题，以及两种常用的空间能力测试工具：心理切割面测试（Mental Cutting Plane Test, MCT）和普渡....

结果

本节通过下述示例图示说明前述步骤。由于本文旨在聚焦方法学，故未提供包含统计检验的完整数据汇总。潜在的PSVT:R、MCT和空间问题示例分别见图1、图2和图3。

EEG 帽将通过每个给定通道的电位来采集大脑激活信号，这些信号可如图7所示并行查看。如前所述，数据中的某些伪迹需要手动去除，而其他伪迹可通过独立成分分析（ICA）去除。有时可识别出故障通道，此类伪迹在图7中可见。在分析软件中，可依次手动标记大幅值的非重复性伪迹，然后点击“REJECT”按钮予以去除（如步骤 6.3.3.2.1 所示）。所有包含 EEG 数据分析图像的图示均来自材料表中列出的分析软件工具。

在完成ICA之后，分析软件以两种方式对数据进行映射：1）激活活动的头皮分布图，以及2）按试验次数和时间排列的激活情况的二维连续数据图。可接受数据的示例如图5所示。三个被拒数据案例的头皮分布图示例显示了与大脑活动无关的信号，见图4

讨论

本方案讨论了应用脑电图技术测量参与者在解决两种典型空间能力测试工具以及高空间性工程静力学问题时的大脑活动。此处详述的方法最终可能有助于理解在解决这些问题时表现高低不同者的神经效率差异。了解工程专业学生在完成MCT和PSVT:R测试时神经效率的任何差异至关重要，因为这些测试常被用于评估空间能力。将两者相互比较，有助于我们更准确地评估它们在工程学学习成功中的适用性，以及其在基础工程课程体系中的地位。

本方案建立了与空间认知任务相关的神经效率研究的操作流程。必须采用可靠且有效的测量工具来评估与工程学内容相关联的空间能力。同时，工程学问题应针对特定课程的代表性教学内容。脑电图（EEG）测量提供了一种独特的非侵入性手段，可用于交叉验证学生在解决工程问题中涉及空间认知过程时的神经活动数据。此类数据采集应进行准确的时间戳记录，以确保与视频存档事件的同步对应。必须严格遵守机构审查委员会（IRB）的规程，确保参与者数据及分析结果的匿名性。

大多数故障问题发生在采集脑电图（EEG）数据期间，具体情况如下所述，且其中大部分问题可在数据记录之前得到解.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Emotiv EPOC 型号 1.0	Emotiv	型号：Emotiv Premium	"高分辨率、多通道、便携式脑电图系统"
Emotiv 控制面板（软件）	Emotiv		用于数据收集。
Emotiv Testbench（软件）	Emotiv		用于数据收集。
虚拟串行端口模拟器 - VSPE（软件）	ETERLOGIC.COM		使用 COM10 进行数据采集。可免费下载，具体取决于操作系统。
E-Prime 2.0（软件）	心理学软件工具		用于数据采集（向参与者呈现问题并收集不同阶段的标记物）。
EEGLab 13.4.4b（软件）	斯瓦茨计算神经科学中心（SCCN）		用于数据分析。 "用于电生理信号处理的开源环境". SCCN 是加州大学圣迭戈分校神经计算研究所的一个研究中心。
MATLAB R2014b	The Mathworks, Inc.		用于运行 EEGLab
Microsoft Excel 2013	Microsoft		用于汇总和比较来自 EEGLab 的表格化结果 &和 MATLAB 生成表格
内置麦克风的摄像机	佳能	CNVHFR50	用于记录实验过程
注射器套装（5 cc 注射器 & 16 G 钝针 × 2）	Electro-Cap Intnl. Inc.	E7	用于保持脑电帽的毛毡湿润。
Nuprep 脑电图皮肤准备凝胶	韦弗公司	10-30	用于清洁乳突。
消毒剂	Purell	S-12808	用于手部消毒