Utilizzando Elettroencefalografia Misure per il confronto della Task-specifici neurali efficienze: compiti spaziali Intelligenza

Summary

Questo manoscritto descrive un approccio per misurare l'attività neurale di esseri umani e risolvere i problemi di ingegneria spaziale mirati. La metodologia elettroencefalogramma aiuta a interpretare le misurazioni delle onde cerebrali beta in termini di efficienza neurale, con l'obiettivo di consentire in ultima analisi, il confronto di prestazioni compito sia tra i tipi di problemi e tra i partecipanti.

Abstract

intelligenza spaziale è spesso legata al successo nelle professioni educative ingegneria e ingegneria. L'uso di elettroencefalografia consente il calcolo comparativo di efficienza neurale degli individui in quanto svolgono attività successive che richiedono capacità spaziale per ricavare soluzioni. efficienza neurale qui è definito come avente meno di attivazione beta, e quindi spendendo meno risorse neurali, per eseguire un compito in confronto ad altri gruppi o altre attività. Per i confronti tra le attività di attività con durate simili, tali misure possono consentire un confronto di tipo di attività difficoltà. Per intra-partecipanti e tra partecipanti confronti, queste misurazioni forniscono informazioni potenziale nel livello del partecipante di capacità spaziali e diversi compiti problema di ingegneria solving. Prestazioni sui compiti selezionati può essere analizzato e correlata con attività beta. Questo lavoro presenta un protocollo di ricerca dettagliato studiare l'efficienza neurale degli studenti itainvecchiato in la soluzione di capacità tipici del territorio e dei problemi statici. Gli studenti hanno completato i problemi specifici del Mental taglio di prova (MCT), Purdue spaziale prova Visualizzazione di rotazioni (PSVT: R), e Statica. Mentre era impegnato a risolvere questi problemi, le onde cerebrali dei partecipanti sono stati misurati con EEG permette di dati da raccogliere per quanto riguarda alfa e beta del cervello di attivazione delle onde e l'uso. Il lavoro sembra correlare prestazioni funzionali sulle attività spaziali puri con attività di ingegneria spaziale intensiva per identificare i percorsi di prestazioni di successo nel campo dell'ingegneria e dei miglioramenti conseguenti in materia di istruzione di ingegneria che possono seguire.

Introduction

Capacità spaziale è di vitale importanza per la scienza, tecnologia, ingegneria e matematica (STEM) Campi e istruzione e si correla con successo in queste zone ^1,2,3. Pertanto, è importante comprendere lo sviluppo di come spaziale impatti capacità di soluzione dei problemi ^4. Capacità spaziale è stato collegato a interessi ^{5, 6} prestazioni, il successo nel mondo accademico di ingegneria ⁷ e il successo in ingegneria professionisti ^8. Tuttavia, non c'è un sacco di lavoro che indica processi neurali specifiche a risolvere i problemi tipici di molti strumenti di abilità spaziali, né contenuto tecnico specifico che è altamente spaziale.

Questo documento fornisce un'introduzione ai metodi utilizzati per la raccolta e l'analisi dei punteggi spaziali strumenti capacità combinate con le misurazioni neurali dati. L'intento di pubblicare con JoVE è quello di rendere questi metodi più accessibili a un pubblico più vasto. Generale hardware pubblica e wer softwaree utilizzato in questo studio. Come carta metodi, risultati completi / insiemi di dati non sono segnalati, né sono più campioni forniti. Tutte le immagini sono state catturate appositamente per questa pubblicazione. I metodi descritti di seguito sono stati utilizzati nella preparazione di un rapporto preliminare convegno ⁹ sulla base di dati provenienti da otto università partecipanti sophomore età, tre dei quali erano di sesso femminile.

Molti strumenti esistenti siano utilizzati per indicare i livelli di abilità spaziale inerente o imparato da parte di individui. Due validi e affidabili ^10,11 strumenti che vengono comunemente utilizzati sono il Mental taglio di prova (MCT) ¹² e la prova di Purdue spaziale Visualizzazione di rotazioni (PSVT: R) ^13. Mentre originariamente progettato professionalmente ¹⁴ tali strumenti di prova diversi stadi di sviluppo visualizzazione spaziale descritto da Piaget teoria ^10,15. L'uso di questi strumenti crea la necessità di comprendere i fenomeni cognitivi fisiologici sottostanti existing quando gli individui lavorano attraverso questi problemi. Per questo motivo, questo studio ha l'obiettivo di mostrare i metodi che utilizzano dati fisiologici empirici che possono in ultima analisi, migliorare l'analisi e la comprensione del pensiero spaziale, verificare funzionalità di test metriche esistenti, e aumentare l'applicabilità delle valutazioni spaziali problemi a più complesse tipiche di formazione ingegneristica. Molti di questi problemi si possono incontrare in ingegneria Statica.

Statica è una meccanica fondamentali corso consegnati alla maggior parte degli studenti di ingegneria (ad es., Biologici, meccanici, Ingegneria Civile, Ambientale, Ingegneria Aerospaziale) ^16,17. Si tratta di una delle prime ampie problem solving esperienze che gli studenti sono dati a contenuto di base dell'ingegneria ^18. Statica comporta lo studio dell'interazione di forze su un corpo rigido che è a riposo o in movimento a velocità costante. Purtroppo Statica ha elevato di abbandono, il ritiro, e tassi di fallimento (14% come si vede nelle invesUniversità esaminato con attenzione) e questo può essere correlato a tradizionali modelli di erogazione delle lezioni e il curriculum che omettono viali principali di sostegno come gli approcci spazialmente avanzate all'istruzione. Ad esempio, gli approcci spazialmente migliorate in statica può avere come bersaglio la visualizzazione di come le forze interagiscono al di fuori di analisi tipico analitica e rafforzare la conoscenza procedurale degli studenti con concettualizzazione a terra. L'efficacia di tali interventi deve essere indagato dal punto di vista delle neuroscienze cognitive.

Elettroencefalografia (EEG) presenta un metodo unico e mobile di misurare l'attività delle onde cerebrali degli studenti. Utenti che eseguono attività che provocano attivazione beta sono generalmente molto impegnati con le specifiche attività e sono attenti a quello che stanno facendo ^19,20. Come compito esige aumento, l'ampiezza dell'onda aumenta beta, così come la dimensione dell'area corticale frequenze di banda occupano. I più neuroni che si attivano all'internola gamma di frequenza beta (alpha: 8 – 12 Hz, beta: 12 – 24 Hz) può essere definita come una maggiore potenza beta. Relazione a ciò, come si diventa più esperti in un compito, l'ampiezza delle onde beta diminuisce, la produzione di energia meno beta. Questo è parte del neurale ipotesi efficienza ^21-28, in cui maggiore esperienza compito quando si esegue un'operazione è correlata ad una diminuzione della frequenza di alimentazione. Anche se EEG è stata precedentemente utilizzata nello studio delle abilità spaziali (spesso per la rotazione mentale e compiti di navigazione spaziale) – e privacy sono stati identificati nel alfa, beta, theta e bande ^27-33 – sono stati osservati bande alfa e beta per questo studio, e beta è stato selezionato per ulteriori analisi rappresentante nel presente documento e nella relazione preliminare conferenza ^9. Le procedure definite di seguito concentrarsi quindi sulla analisi beta di banda, ma una ricerca in tutte le tre fasce, a seconda dei dati registrati, si raccomanda in futuro.

Ilneurali ipotesi efficienza è stata testata su diversi compiti, tra cui gli scacchi, la memoria visuo-spaziale, il bilanciamento, e di riposo. Tutti hanno indicato esperienza compito come un fattore di potenza di frequenza ridotta durante l'esecuzione di compiti familiari. Uno studio particolare ²⁵ ha presentato prove del fatto che, sebbene l'intelligenza di una persona (come misurato da IQ) può aiutare l'individuo acquisire le competenze per eseguire un compito, l'esperienza con il compito supera l'intelligenza nel suo contributo all'efficienza neurale. In altre parole, i più esperti un individuo è, tanto più efficiente neuro lui o lei diventa.

Esistenti studi di efficienza neurali che coinvolgono la capacità spaziale sono principalmente focalizzata sulla rotazione spaziale, e diverse serie di problemi sono stati utilizzati per confrontare le diverse popolazioni (ad es., Maschio / femmina) ^27-28. Studi EEG di attività abilità spaziali hanno anche fornito informazioni mettendo a confronto le prestazioni di altri tipi di attività (ad es., Compiti verbali)^27,29,30. I metodi discussi in questo fuoco carta e confronta problemi dal MCT, PSVT: R, nonché i compiti di equilibrio statico, che sono correlate alla capacità spaziale, ma non sono limitati a rotazione spaziale e navigazione. Altri compiti spaziali possono essere usati al posto di quelli forniti come esempi in questo manoscritto. In questo modo, ulteriori indizi possono essere ottenute in futuro per quanto riguarda le diverse popolazioni (ad es., Maschio / femmina o un esperto / principiante) in ultima analisi, contribuire a migliorare pratiche educative di ingegneria.

Nel tentativo di indagare la capacità spaziale e l'attitudine tecnica, abbiamo sviluppato un protocollo che utilizza le misurazioni EEG per identificare le attivazioni onda beta di bassa prestazioni ai partecipanti altamente performanti durante una batteria limitato di specifici compiti spaziali e di ingegneria. In questo caso, l'elevato esecutore termine è correlato all'andamento del partecipante, e non è riflettente della quantità di tempo trascorso in campo daldiscente, come tutti i partecipanti erano approssimativamente nello stesso punto della loro formazione. Inoltre, il set di problema in questione è del tutto particolare e di base; in tal modo i termini "esperti" o "ad alte prestazioni" nel presente documento non devono essere considerate nel senso di un esperto, ingegnere professionalmente impiegati, ma che rappresenta solo elevate prestazioni in questa ristretta fetta di ingegneria meccanica curriculum e strumenti abilità spaziali. Le misurazioni neurali possono essere utilizzati anche per individuare eventuali tendenze lordi per le quali tipi di attività possono reclutare più risorse cognitive di altri, con possibile interpretazione per quanto riguarda i livelli di difficoltà. Queste informazioni possono potenzialmente fornire una visione in valutazione e intervento futuro per quanto riguarda la capacità spaziale. Altro intuizione futuro può essere derivato da considerare regioni più specifiche del cervello, che non era possibile in questo studio a causa del numero limitato di canali disponibili nell'hardware EEG utilizzato.

Protocol

Dichiarazione etica riguardo all'uso partecipanti umani Le procedure coinvolte in questo lavoro sono stati approvati dal Institutional Review Board (IRB) a Utah State University per lo studio di soggetti umani. Si raccomanda che qualsiasi lavoro simile deve inoltre essere approvato dalla competente IRB. I partecipanti sono autorizzati a fermare o ritirarsi dallo studio in qualsiasi momento durante l'esperimento. 1. Selezione dei partecipanti Selezionare i partecipanti …

Representative Results

In questa sezione, i passaggi precedenti sono illustrati con figure di esempio come descritto di seguito. riepiloghi di dati completi con test statistici non sono forniti, come l'obiettivo di questo lavoro è quello di concentrarsi su metodi. Esempi di potenziale PSVT: R, MCT, e problemi spaziali sono riportati nella Figura 1, Figura 2 e Figura 3, rispettivamente. Il tappo EEG raccoglierà attivazione cerebrale con potenziali elettrici per ogni dato canale, che può essere visto…

Discussion

Il protocollo discute l'applicazione di elettroencefalografia per misurare l'attività cerebrale per i partecipanti problemi a lavorare da due strumenti tipici abilità spaziali e problemi di ingegneria Statica altamente spaziali. I metodi descritti qui possono in definitiva essere in grado di aiutare a capire l'efficienza neurale di alte e basse performance impegnati nel lavoro di questi problemi. E 'di vitale importanza per comprendere eventuali differenze di efficienza neurale di studenti di ingegneri…

Materials

Emotiv EPOC Model 1.0	Emotiv	Model: Emotiv Premium	"High resolution, multi-channel, portable EEG system."
Emotiv Control Panel (software)	Emotiv		Used for data collection.
Emotiv Testbench (software)	Emotiv		Used for data collection.
Virtual Serial Port Emulator – VSPE (software)	ETERLOGIC.COM		Used COM10 in data collection. Available as a free download, depending on the operating system.
E-Prime 2.0 (software)	Psychology Software Tools		Used for data collection (presentation of problems to participants and collection of markers for different phases).
EEGLab 13.4.4b (software)	Swartz Center for Computational Neuroscience (SCCN)		Used for data analysis. "An open source environment for electrophysiological signal processing". SCCN is a Center of the Institute for Neural Computation, the University of California San Diego.
MATLAB R2014b	The Mathworks, Inc.		Used to run EEGLab
Microsoft Excel 2013	Microsoft		Used to assemble and compare tabulated results from EEGLab & MATLAB, to create tables
Camcorder with built in Mic	Canon	CNVHFR50	Used to record sessions
Syringe Kit (5cc syringe & 2 16g blunted needles)	Electro-Cap Intnl. Inc.	E7	For keeping the EEG cap's felts damp.
Nuprep EEG Skin Prep Gel	Weaver and Company	10-30	For cleaning the mastoid process.
Sanitizer	Purell	S-12808	For sanitizing hands