Utilizando mediciones Electroencefalografía para la comparación de eficiencia en las tareas específicas de los nervios: Tareas de Inteligencia Espacial

Summary

Este manuscrito describe un método para medir la actividad neuronal de los seres humanos, mientras que la solución de problemas de ingeniería espacialmente focalizadas. La metodología electroencefalograma ayuda a interpretar las mediciones de ondas cerebrales beta en términos de eficiencia neural, con el objetivo de hacer que finalmente permite comparaciones de rendimiento de las tareas entre ambos tipos de problemas y entre los participantes.

Abstract

La inteligencia espacial suele estar relacionada con el éxito en la enseñanza de la ingeniería y de ingeniería profesiones. El uso de electroencefalografía permite el cálculo comparativo de la eficiencia de los nervios de los individuos a medida que realizan tareas sucesivas que requieren habilidad espacial para derivar soluciones. eficiencia neural aquí se define como tener una menor activación beta, y por lo tanto gastar menos recursos neuronales, para realizar una tarea en comparación con otros grupos u otras tareas. Para las comparaciones entre las tareas de tareas con duraciones similares, estas medidas pueden permitir una comparación del tipo de tarea dificultad. Para las comparaciones intra-participantes y entre los participantes, estas mediciones proporcionan una visión potencial en el nivel de la capacidad espacial y diferentes tareas de resolución de problemas de ingeniería del participante. El rendimiento en las tareas seleccionadas puede ser analizada y correlacionada con la actividad beta. Este trabajo presenta un protocolo de investigación detallado estudio de la eficiencia neural de estudiantes engenvejecido en la resolución de la capacidad espacial típica y los problemas de Estática. Los estudiantes completaron los problemas específicos de la prueba de corte Mental (MCT), Purdue espacial prueba de visualización de rotaciones (taquicardia supraventricular paroxística: R), y la estática. En el ejercicio de la solución de estos problemas, las ondas cerebrales de los participantes se midieron con EEG permitiendo que los datos que deben recogerse respecto alfa y beta del cerebro de onda de activación y uso. La obra se presenta para correlacionar el rendimiento funcional en las tareas espaciales puras con las tareas de ingeniería espacialmente intensivos para identificar las vías para acceder a un desempeño exitoso en la ingeniería y las mejoras resultantes en la enseñanza de la ingeniería que pueden seguir.

Introduction

La capacidad espacial es vital para la Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas (STEM) y los campos de educación y se correlaciona con éxito en estas áreas ^1,2,3. Por lo tanto, es importante entender el desarrollo de la forma espacial afecta la capacidad de resolución de problemas ^4. La capacidad espacial se ha relacionado con ^un interés del ^{5, 6} rendimiento, el éxito en el mundo académico de ingeniería ⁷ y el éxito en profesionales de la ingeniería ^8. Sin embargo, no hay una gran cantidad de trabajo que indica los procesos neuronales específicos en la solución de los problemas típicos de muchos instrumentos de la capacidad espacial, ni el contenido de ingeniería específica que es altamente espacial.

Este documento proporciona una introducción a los métodos utilizados para la recogida y el análisis de las puntuaciones del instrumento capacidad espaciales combinadas con mediciones neuronales datos. La intención de la publicación con JoVe es hacer que estos métodos sean más accesibles a un público más amplio. público en general de hardware y software de were utilizado en este estudio. Como métodos de papel, no se reportan resultados completos / conjuntos de datos, ni son múltiples muestras proporcionadas. Todas las imágenes fueron capturadas específicamente para esta publicación. Los métodos que se detallan a continuación se utilizaron en la preparación de un informe de la conferencia preliminar ⁹ sobre ^la base de datos de los participantes, de segundo año de edad de ocho universitarios, tres de los cuales eran mujeres.

Muchos instrumentos existentes se utilizan para indicar los niveles de habilidad espacial inherente a la o aprendida por los individuos. Dos válidos y fiables ^10,11 instrumentos que se utilizan comúnmente son los Mental Test de corte (MCT) ¹² y la prueba de Purdue Visualización Espacial de rotaciones (taquicardia supraventricular paroxística: I) ^13. Aunque originalmente diseñado ocupacionalmente ¹⁴ estos instrumentos de prueba diferentes etapas del desarrollo de la visualización espacial descrito por la teoría de Piaget ^10,15. El uso de estos instrumentos crea una necesidad de comprender los fenómenos cognitivos fisiológicos subyacentes existing cuando las personas trabajan a través de estos problemas. Por esta razón, este estudio tiene como objetivo mostrar los procedimientos que utilizan datos fisiológicos empírica de que en última instancia puede mejorar el análisis y la comprensión del pensamiento espacial, verificar las capacidades de pruebas de métricas existentes, y aumentar la aplicabilidad de las evaluaciones espaciales problemas más complejos típicos de la formación en ingeniería. Muchos de estos problemas se pueden encontrar en la ingeniería de la Estática.

La estática es una mecánica fundamentales supuesto entregados a la mayoría de los estudiantes de ingeniería (por ejemplo., Biológicos, mecánicos, Civil, Ambiental, Ingeniería Aeroespacial) ^16,17. Es una de las primeras experiencias de resolución de problemas extensos que los estudiantes se dan en el contenido de ingeniería núcleo ^18. Estática implica el estudio de la interacción de las fuerzas sobre un cuerpo rígido que está en reposo o se mueve a una velocidad constante. Desafortunadamente Estática tiene una alta deserción, la retirada, y las tasas de fracaso (14% como se ve en las InvesUniversidad tigated) y esto puede estar relacionado con los modelos de prestación de conferencia y del plan de estudios tradicionales que omiten las avenidas principales de apoyo, como los enfoques mejorados espacialmente a la educación. Por ejemplo, los enfoques mejorados espacialmente en la Estática pueden dirigirse a la visualización de cómo interactúan las fuerzas fuera del análisis analítico típico y reforzar el conocimiento procedimental de los estudiantes con la conceptualización a tierra. La eficacia de estas intervenciones que hay que investigar desde una perspectiva neurocientífica cognitiva.

Electroencefalografía (EEG) presenta un método único y móvil de medir la actividad de las ondas cerebrales de los estudiantes. Las personas que realizan tareas que provocan la activación beta son generalmente muy ocupados con los detalles de la tarea y están atentos a lo que están haciendo ^19,20. Como tarea exige aumento, la amplitud de los aumentos de onda beta, al igual que el tamaño de la zona cortical las frecuencias de ancho de banda ocupan. Los más neuronas que se activan dentro dela gama de frecuencias beta (alfa: 8 – 12 Hz, beta: 12 – 24 Hz) se puede definir como un mayor poder beta. En relación con esto, como uno se vuelve más experiencia en una tarea, la amplitud de las ondas beta disminuye, la generación de energía menos beta. Esto es parte de la hipótesis de la eficiencia neural ^21-28, en el que una mayor experiencia tarea cuando se realiza una tarea está relacionada con una disminución en la potencia de la frecuencia. Aunque EEG se ha utilizado anteriormente en el estudio de las habilidades espaciales (a menudo para la rotación mental y tareas de navegación espacial) – y de datos aplicables se han identificado en el alfa, beta, theta y bandas ^27-33 – se observaron bandas alfa y beta para este estudio, y beta se seleccionaron para su posterior análisis representativo en este documento y en el informe de la conferencia preliminar ^9. Los procedimientos definidos a continuación por lo tanto se centran en el análisis de la banda beta, pero una investigación sobre las tres bandas, en función de los datos registrados, se recomienda en el futuro.

loshipótesis de la eficiencia neuronal ha sido probado en varias tareas, incluyendo el ajedrez, memoria visuoespacial, el equilibrio, y el descanso. Todos han indicado experiencia tarea como un factor en la disminución del poder de frecuencia cuando se realizan tareas familiares. Un estudio en particular ²⁵ ha presentado pruebas de que, aunque la inteligencia de una persona (tal como se mide por IQ) puede ayudar al individuo a adquirir los conocimientos necesarios para realizar una tarea, la experiencia con la tarea mayor que la inteligencia en su contribución a la eficiencia neural. En otras palabras, cuanta más experiencia que un individuo es, más eficiente neural que él o ella se vuelve.

Existentes estudios de eficiencia neural que afecta la habilidad espacial se han centrado principalmente en la rotación espacial, y diferentes conjuntos de problemas se han utilizado para comparar las diferentes poblaciones (por ejemplo., Hombres / mujeres) ^27-28. Estudios de EEG de las tareas de la capacidad espacial también han proporcionado información comparando el rendimiento de otros tipos de tareas (por ejemplo., Tareas verbales)^27,29,30. Los métodos descritos en este documento se centran en y comparar problemas de la MCT, la taquicardia supraventricular paroxística: R, así como las tareas de equilibrio estático, que están relacionados con la capacidad espacial, pero no se limitan a la rotación espacial y la navegación. Otras tareas espaciales pueden ser utilizados en lugar de los dados como ejemplos en este manuscrito. De esta manera, una visión adicional se puede obtener en el futuro en relación con las diferentes poblaciones (por ejemplo., Macho / hembra o experto / novato) que en última instancia, ayudar a mejorar las prácticas educativas de ingeniería.

En un esfuerzo por investigar la capacidad espacial y la aptitud de ingeniería, hemos desarrollado un protocolo que utiliza mediciones de EEG para identificar las activaciones beta de la onda de bajo rendimiento a los participantes de alto rendimiento durante una batería limitada de tareas espaciales y de ingeniería específicos. En este caso, el alto desempeño término está relacionado con el rendimiento del participante, y no es un reflejo de la cantidad de tiempo invertido en el campo por elalumno, ya que todos los participantes eran aproximadamente en el mismo momento de su educación. Además, el conjunto problema en cuestión es bastante específica y básica; por tanto, los términos "expertos" o "alto rendimiento" en este documento no deben ser vistos en el sentido de un experto, ingeniero empleado profesionalmente, pero que representa sólo el alto rendimiento en este estrecho trozo de ingeniería mecánica de plan de estudios y los instrumentos de la capacidad espacial. Las mediciones neuronales también se pueden utilizar para identificar cualquier tendencia brutos para los que los tipos de tareas pueden reclutar más recursos cognitivos que otros, con interpretación posible respecto a los niveles de dificultad. Esta información puede potencialmente dar una idea de la evaluación e intervención futuro con respecto a la capacidad espacial. Otros visión futuro puede derivarse considerando regiones más específicas del cerebro, que no era posible en este estudio debido al número limitado de canales disponibles en el hardware utilizado EEG.

Protocol

Declaración de ética relacionada con el uso de las personas participantes Procedimientos involucrados en este trabajo han sido aprobados por la Junta de Revisión Institucional (IRB) de la Universidad del Estado de Utah para el estudio de los sujetos humanos. Se recomienda que cualquier trabajo similar también debe ser aprobado por el IRB relevante. Los participantes se les permite detener o retirarse del estudio en cualquier momento durante el experimento. 1. Selección de los particip…

Representative Results

En esta sección, los pasos anteriores se ilustran con las figuras de la muestra como se describe a continuación. resúmenes de datos completos con las pruebas estadísticas no se proporcionan, ya que el objetivo de este trabajo es centrarse en los métodos. Ejemplos de potencial taquicardia supraventricular paroxística: R, MCT, y problemas espaciales se dan en la Figura 1, Figura 2, y la Figura 3, respectivamente. La tapa de EEG recogerá la activación del cerebro a través de l…

Discussion

El protocolo discute la aplicación de la electroencefalografía para medir la actividad cerebral de los participantes problemas de trabajo a partir de dos instrumentos típicos de la capacidad espacial y problemas de ingeniería altamente Estática espaciales. Los métodos se detallan en esta última instancia, puede ser capaz de ayudar a entender la eficiencia neural de artistas de alto y bajo que trabajen estos problemas. Es de vital importancia para entender las diferencias en la eficiencia de los nervios de los est…

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