מדידת למידה סטטיסטית על פני שיטות ותחומים בילדים בגיל בית הספר באמצעות פלטפורמה מקוונת וטכניקות הדמיה עצבית

Summary

מוצג כאן פרוטוקול המציג קבוצה של משימות למידה סטטיסטיות ידידותיות לילדים המיועדות לבחון את הלמידה של ילדים של דפוסים סטטיסטיים זמניים על פני תחומים וmodalities חושי. המשימות המפותחות אוספות נתונים התנהגותיים באמצעות הפלטפורמה מבוססת האינטרנט ונתוני הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית (fMRI) המבוססת על משימות לבדיקת מעורבות עצבית במהלך למידה סטטיסטית.

Abstract

למידה סטטיסטית, מיומנות בסיסית לחלץ סדירות בסביבה, נחשבת לעתים קרובות מנגנון תמיכה הליבה של התפתחות השפה הראשונה. בעוד מחקרים רבים של למידה סטטיסטית נערכים בתוך תחום יחיד או מודאליות, ראיות האחרונות מצביעות על כך מיומנות זו עשויה להיות שונה בהתבסס על ההקשר שבו הגירויים מוצגים. בנוסף, מחקרים מעטים חוקרים את הלמידה כפי שהיא מתפתחת בזמן אמת, במקום להתמקד בתוצאה של למידה. בפרוטוקול זה, אנו מתארים גישה לזיהוי הבסיס הקוגניטיבי והעצבי של למידה סטטיסטית, בתוך אדם, על פני תחומים (לשוניים לעומת לא לשוניים) ופשטיות חושית (חזותית ושמיעתית). המשימות נועדו להטיל ביקוש קוגניטיבי קטן ככל האפשר על המשתתפים, מה שהופך אותו אידיאלי עבור ילדים בגיל בית הספר הצעיר ואוכלוסיות מיוחדות. האופי מבוסס האינטרנט של המשימות ההתנהגותיות מציע לנו הזדמנות ייחודית להגיע לאוכלוסיות מייצגות יותר ברחבי הארץ, להעריך גדלי אפקטים בדיוק רב יותר, ולתרום למחקר פתוח ותו לא. האמצעים העצביים המסופקים על ידי משימת הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית (fMRI) יכולים ליידע את החוקרים על המנגנונים העצביים העוסקים במהלך למידה סטטיסטית, וכיצד אלה עשויים להיות שונים בין אנשים על בסיס תחום או מודאליות. לבסוף, שתי המשימות מאפשרות מדידה של למידה בזמן אמת, כאשר שינויים בזמן התגובה לגירוי היעד נמצאים במעקב לאורך תקופת החשיפה. המגבלה העיקרית של שימוש בפרוטוקול זה מתייחסת למשך השעה של הניסוי. ילדים יצטרכו להשלים את כל ארבע משימות הלמידה הסטטיסטיות בישיבה מרובה. לכן, הפלטפורמה מבוססת האינטרנט מתוכננת מתוך מחשבה על מגבלה זו כך שפעילויות יווצרמו בנפרד. מתודולוגיה זו תאפשר למשתמשים לחקור כיצד תהליך הלמידה הסטטיסטית מתפתח בתחומים ובתוך תחומים ושיטות בילדים מרקע התפתחותי שונה.

Introduction

למידה סטטיסטית היא מיומנות יסודית התומכת ברכישת שילובים הנשלטים על-ידי כללים בתשומות שפה¹. יכולת למידה סטטיסטית מוצלחת אצל תינוקות מנבאת הצלחה מאוחרת יותר בלימוד שפה^2,,3. שונות במיומנויות למידה סטטיסטית בילדים בגיל בית הספר גם נקשר אוצר^{מילים 4} וקריאה^5,6. קושי בלמידה סטטיסטית הוצע כמנגנון אטיאולוגי אחד הבסיסי ליקוי שפה⁷. למרות הקשר בין למידה סטטיסטית לתוצאות שפה הן באוכלוסיות נוירו-טיפוסיות והן באוכלוסיות לא טיפוסיות, המנגנונים הקוגניטיביים והנוירולוגיים הבסיסיים של הלמידה הסטטיסטית נותרים מובנים היטב. בנוסף, ספרות קודמת חשפה כי בתוך אדם, יכולת למידה סטטיסטית אינה אחידה אלא עצמאית בתחומים^{ובמודאליות 6,,8,9}. המסלול ההתפתחותי של יכולות למידה סטטיסטיות עשוי להשתנות עוד יותר בין תחומים ומודאליות¹⁰. ממצאים אלה מדגישים את החשיבות של הערכת הבדלים בודדים בלמידה סטטיסטית על פני משימות מרובות במהלך הפיתוח. עם זאת, השדה דורש תחילה חקירה שיטתית יותר של הקשר בין למידה סטטיסטית ופיתוח שפה ראשונה. כדי לענות על שאלות אלה, אנו מיישמים שיטות חדשניות,^{לרבות פלטפורמת בדיקה מבוססת אינטרנט 11 שמגיעה} למספר רב של ילדים, וטכניקות הדמיה עצבית מבוססת מעבדה (הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית, או fMRI) הבוחנות את הקידוד בזמן אמת של מידע סטטיסטי.

מדדים סטנדרטיים של למידה סטטיסטית מתחילים בשלב היכרות ולאחר מכן בחירה כפויה של שתי חלופות (2-AFC)^{משימה 12,13}. שלב ההיכרות מציג זרם מתמשך של גירויים משובצים קבועים סטטיסטיים, שבו גירויים מסוימים נוטים יותר להתרחש במקום מאשר לאחרים. המצגת של גירויים אלה המתרחשים במקום מצייתת לסדר זמן קבוע. המשתתפים נחשפים באופן פסיבי לזרם במהלך שלב ההיכרות, ולאחר מכן משימה של 2-AFC שבונה אם המשתתף חילץ בהצלחה את התבניות. משימת הדיוק של 2-AFC מציגה שני רצפים רצופים: רצף אחד הוצג למשתתף במהלך שלב ההיכרות, בעוד שהשנייה היא רצף חדשני, או מכילה חלק מהרצף. דיוק מעל סיכוי ב-2-AFC יצביע על למידה מוצלחת ברמת הקבוצה. משימות התנהגותיות מסורתיות המעריכות למידה סטטיסטית מסתמכות בדרך כלל על דיוק כמדד התוצאה של למידה. עם זאת, הדיוק אינו מסביר את הלמידה הטבעית של מידע כפי שהוא מתגלה בזמן. יש צורך למדוד למידה בזמן אמת כדי לנצל את תהליך הלמידה המשתמע של למידה סטטיסטית שבמהלכה הילדים עדיין מקודדים את^{הקבועים מהתשומות 14,15,16}. התאמות שונות על פני פרדיגמיות פותחו במאמץ להתרחק 2-AFC למדוד, לקראת אמצעים של למידה אונליין באמצעות תגובות התנהגותיות במהלך^{החשיפה 16}. מחקרים המנצלים התאמות אלה המודדות את זמן התגובה במהלך שלב החשיפה^{מצאו שהם קשורים לדיוק שלאחר הלמידה 17} עם אמינות טובה יותר של בדיקת מבחן בהשוואה לדיוק של לומדים^{מבוגרים 18}.

אמצעים עצביים הם גם בסיס להבנתנו כיצד הלמידה מתפתחת לאורך זמן, כמו התהליך המשתמע שבו לימוד שפה מתרחשת כנראה מגייס משאבים עצביים שונים מאלה המשמשים פעם^{שפה לומד 19.} אמצעים עצביים מספקים גם תובנות על הבדלים בהתמחויות קוגניטיביות הבסיסיות יכולת השפה על פני אוכלוסיות מיוחדות²⁰. כיצד ניגודיות המצב מתוכנן במחקר fMRI הוא קריטי עבור איך אנו מפרשים דפוסים של הפעלה עצבית במהלך הלמידה. מנהג נפוץ אחד הוא להשוות תגובות מוחיות במהלך שלב ההיכרות בין רצפים המכילים דפוסים רגילים לעומת אלה המכילים את אותם גירויים אשר מסודרים באופן אקראי. עם זאת, מחקרים קודמים המיישמים מצב שליטה אקראי כזה לא מצאו ראיות ללמידה בהתנהגות, למרות הבדלים עצביים בין רצפים מובנים ואקראיים. ייתכן שהסיבה לכך היא הפרעה של רצפים אקראיים על למידה של רצפים מובנים, כמו שניהם נבנו^{מאותו גירויים 21,22}. מחקרים אחרים fMRI אשר השתמשו בדיבור לאחור או בלוקי למידה מוקדמים יותר כמו מצב הבקרה אישר^{למידה התקיים התנהגותית 19,23}. עם זאת, כל אחת מהפרדיגות הללו הציגה גורם מבלבל משלה, כגון השפעת עיבוד השפה על המקרה הקודם וההשפעה של הסדר הניסיוני על המקרה האחרון. הפרדיגמה שלנו משתמשת ברצף האקראי כתנאי הבקרה, אך מפחיתה את ההפרעות שלהם בלימוד הרצפים המוגנים. פרדיגמת fMRI שלנו מיישמת גם עיצוב מעורב הקשור לבלוק/אירוע, המאפשר מידול בו-זמני של אותות מודגשים הקשורים למשימה ארעית ומתמשך^{הקשורים למשימה 24}. לבסוף, ובאופן רחב יותר, אמצעים עצביים מאפשרים מדידה של למידה באוכלוסיות שבהן תגובה התנהגותית מפורשת עשויה להיות קשה (למשל, אוכלוסיות התפתחותיות^{ומיוחדות) 25.}

הפרוטוקול הנוכחי מאמץ מדד זמן תגובה, בנוסף לאמצעי דיוק מסורתיים, ובוחן את הפעלת המוח במהלך שלב ההיכרות. השילוב של שיטות אלה נועד לספק dataset עשיר לחקירה של תהליכי למידה בזמן אמת. הפלטפורמה מבוססת האינטרנט מציעה סט של אמצעי למידה על-ידי הכללת זמן תגובה הן בשלב החשיפה והן דיוק של משימת 2-AFC במהלך שלב הבדיקה. פרוטוקול ההדמיה העצבית מאפשר חקירה של המנגנונים העצביים הבסיסיים התומכים בלמידה סטטיסטית בתחומים ובתחום. למרות שזה אופטימלי למדוד למידה סטטיסטית בתוך אדם באמצעות פרוטוקולים מבוססי אינטרנט וfMRI, המשימות מתוכננות כך שהם עשויים להיות מ מופלים באופן עצמאי, ולכן, כשני מדדים עצמאיים של למידה סטטיסטית. ניסויי fMRI הכלולים בפרוטוקול הנוכחי יכולים לעזור להבהיר כיצד קידוד גירוי, הפקת תבניות ורכיבים מרכיבים מרכיבים אחרים של למידה סטטיסטית מיוצגים על ידי אזורים ורשתות מוח מסוימים.

Protocol

כל המשתתפים נתנו הסכמה בכתב להשתתף וללמוד נערך בהתאם למועצת הביקורת המוסדית. 1. סקירה כללית של פרדיגמת הלמידה הסטטיסטית המנוצלת בפרוטוקול מבוסס האינטרנט כלול ארבע משימות בפרדיגמה הנוכחית: תמונה (חזותית-לא לשונית), אות (חזותית-לשונית), טון (שמיעתי-לא לשוני) והברה (שמיעתי?…

Representative Results

תוצאות התנהגותיות מבוססות אינטרנטבהתחשב בפרוטוקול הנוכחי מיועד להפצה קלה עם אוכלוסיות התפתחותיות, כללנו תוצאות ראשוניות מבוססות אינטרנט המבוססות על נתונים מ-22 ילדים בגיל בית ספר מתפתחים (ממוצע (M) גיל = 9.3 שנים, סטיית תקן (SD) גיל = 2.04 שנים, טווח = 6.2-12.6 שנים, 13 בנות). במשימת למידה סטט?…

Discussion

השיטות המוצגות בפרוטוקול הנוכחי מספקות פרדיגמה רב-מודאלית להבנת המדדים ההתנהגותיים והנוירית של למידה סטטיסטית במהלך הפיתוח. העיצוב הנוכחי מאפשר זיהוי של הבדלים בודדים ביכולת הלמידה הסטטיסטית בין שיטות ותחומים, אשר יכול לשמש לחקירה עתידית של הקשר בין למידה סטטיסטית ופיתוח שפה. מאחר שנמצ…

Materials

4 Button Inline Response Device	Cambridge Research Systems	SKU: N1348	An fMRI reponse pad used for measuring in-scanner response time
Short/Slim Canal Tips	Comply Foam	SKU: 40-15028-11	Short & slim in-ear canal tips are recommended for children to protect hearing and allow for them to hear the stimuli while in the scanner.
jsPsych	jsPsych	https://www.jspsych.org/	jsPsych is a JavaScript library for running behavioral experiments in a web browser.
Speech Synthesizer	Praat	Version 6.1.14	This program is an artificial speech synthesizer which was used to create the syllable stimuli.
Web-based statistical learning tasks	Zenodo	http://doi.org/10.5281/zenodo.3820620 (2020).	All web-based statistical learning tasks are available for free access on Zenodo.