組み合わせてコンピュータゲームベースの高密度脳波や赤外線視線追跡と行動実験

このビデオでは、コンピューターゲームに組み込まれた、没入感のある生態学的妥当性の高い認知タスクの遂行中に、被験者から視線追跡と高密度EEG記録を同時に取得する手順を解説します。まず、被験者に電極を装着します。次に、視線追跡カメラのキャリブレーションを行います。

被験者がゲームをプレイしている間に、EEGおよび視線データの記録が行われます。これにより、ゲーム内のイベントによって誘発されるイベント関連電位およびイベント関連スペクトル摂動が得られます。ePrimeやPresentationのような刺激提示パッケージなどの既存の手法に対する本手法の主な利点は、コンピューターゲーム内に実験を組み込むことで、明示的なテスト環境から離れ、パフォーマンスに対する不安を軽減できる点にあり、また、長時間の実験セッションを通じて被験者がモチベーションを維持し、タスクに集中し続けることを支援できる点にあります。

幅広い認知課題を網羅しています。これらの特性は、注意力の欠如やモチベーションの維持が、複雑または長時間にわたる実験セッションの妨げとなり得る小児および臨床集団において特に重要です。私はKeith Yoderで、Beaumont研究室のリサーチアシスタントを務めています。

本日は、人間発達学部のラボテクニシャンでありUAUAの大学院生であるDavid Post氏にサポートしていただきます。使用するのは、128チャンネルのバイオス・セミアクティブ2測定システムと、SR Research社製のiLink 1000赤外線視線追跡装置です。コンピューターゲームとEEGを組み合わせた実験を開始する前に、被験者が到着する1時間前までに、電極のオフセットを±20 µVの範囲内に収めるためのバランス調整を行う必要があります。EEG実験においては、蒸留水1 Lに対し塩小さじ1杯を加えた食塩水に、電極を5〜10分間浸してバランス調整を行ってください。

電極を液体に浸しておく時間は、一度に10分を超えないようにしてください。塩浴から電極を取り出した後、被験者が到着する直前に、蒸留水を満たしたスプレーボトルを使用して電極を洗浄します。視線トラッキングとEEGを同時に行うため、視線トラッキングカメラのコンバーターボックスとコンピュータの電源を入れ、視線トラッキングカメラには必ず16 mmの長焦点レンズを使用してください。

このセットアップでは4台のコンピュータを使用します。具体的には、視線追跡専用のコンピュータ1台、EEG取得専用のコンピュータ1台、刺激提示専用のコンピュータ1台、そしてビデオ取得およびデータ解析用コンピュータ1台です。また、2台のコンバーターボックスを用いて、視線追跡用コンピュータと刺激提示用コンピュータからのVGA出力を操作し、合成されたビデオ信号をビデオ取得用コンピュータに送信します。

このように、ビデオキャプチャ用コンピュータは、被験者が視聴しているゲーム画面に、現在の視線固定点を示すカーソルとタイムスタンプをオーバーレイして記録できます。このオーバーレイ動画は、ビデオキャプチャ用コンピュータ上のディスクファイルに保存されます。それでは、EEGの設定について見ていきましょう。

被験者の眉と後頭結節（inion）付近で頭囲を測定し、適切なサイズの電極キャップを選択して、EEG実験の準備を開始します。タグがキャップの外側にあり、被験者の首に当たるようにして、キャップを被験者の頭に装着します。

A1電極が鼻根（nasion）、外後頭結節（inion）、および左耳介（left pinna）と右耳介（right pinna）に対して中心に位置し、キャップの中心線が被験者の頭部正中線に沿うまでキャップの位置を調整します。鼻根とは、鼻と眉の間のくぼみのことです。外後頭結節とは、後頭部正中線上の骨の突出部であり、耳介とは、外耳道の開口部前方にある軟骨のひだのことです。

キャップを所定の位置に配置した後、電極のプラスチックハウジング（電極5および電極6）に接着リングを適用します。リングの開口部を電極ペレットに合わせて調整してください。

粘着リングから剥離紙を取り除き、電極接点に導電性ゲルを塗布します。被験者の右乳様突起にEX 6を、左乳様突起にEX 5を配置します。鈍端シリンジを使用して、キャップ内のすべての電極ホルダーに導電性ゲルを注入します。

シリンジのチップを左右に動かして、被験者の毛を分けます。次に、ケーキにデコレーションするように、プランジャーを押し下げながら、同時にシリンジを頭部から引き離します。ゲルがプラスチックハウジングの上端まで満たされるまで注入してください。

入れすぎないように注意してください。ゲルの量が多すぎると、電極部位間にゲルが漏れ出し、電極間ブリッジング（短絡）の原因となるため、少なめに注入する方が適切です。一度電極間ブリッジングが発生すると、対処法はありません。

次にキャップを取り外し、被験者に髪を洗い乾燥させてもらった後、電極リードのプラグを肩に掛け、センサー端を片手に持った状態で、各電極を電極キャップ内の対応するホルダーに慎重に配置し、最初からやり直します。電極のプラスチックハウジング部分のみを掴み、ワイヤーを折り曲げないよう十分にご注意ください。電極の先端に触れないことが極めて重要です。

皮膚、衣類、または導電性ゲル以外の物質が接触すると、電極の品質が低下します。X1からX4に導電性ゲルを塗布し、粘着リングを使用して被験者の顔に貼り付けます。X1とX2は、被験者の左右の外眼角からそれぞれ水平に約1cm離れた位置に配置してください。

頬骨上の、被験者の左右の目の中心から約1cm下に、X3およびDX4を配置します。電極リードを被験者の背後でそっとまとめ、C-M-S-D-R-Lリードを他のリードに緩く巻き付けます。ポニーテールの形状にするため、ポニーテールの上下にベルクロタイを配置してリードを固定し、医療用テープでポニーテールを被験者のシャツの背面に貼り付けます。

被験者の首を快適に前方に曲げられるよう、これらのリード線には十分な余裕を持たせてください。次に、各電極に塩化カリウム溶液を塗布し、GSR電極の準備をします。医療用テープを使用して、被験者の非利き手、または実験中に使用しない方の手の第2指と第3指にGSR電極を固定します。

すべての電極のセットアップを完了し、行動反応を記録させるために、被験者をリクライニング機能のない固定椅子に座らせます。刺激提示モニターの前で、すべての電極をコンバーターボックスに接続し、EEG記録用コンピューターで電極のオフセットが±40 µV以内であることを確認してください。オフセットが非常に大きい電極やノイズが多い電極がある場合は、キャップからその電極を慎重に取り除いてください。

ハウジングにゲルを追加し、電極を装着し直します。単一の電極で問題が持続する場合、または単一の電極にパルスアーチファクトが混入した場合は、そのチャネルを周囲の電極から補間してください。記録完了後、まず目の内側、眉毛の上にターゲットステッカーを貼り付けて、視線追跡のセットアップを行います。

刺激提示用コンピュータでポップアップ校正アプリケーションを起動します。新しいセッションを開始し、タイプドロップダウンメニューをCMDに変更します。適切なコマンドを入力した後、送信ボタンを押して、ポップアップ校正アプリケーションの起動カメラセットアップからイベントロギングをオンにします。

ターゲットステッカーと被験者の瞳孔がオートしきい値設定の中心に来るようにカメラを配置します。刺激提示用コンピュータのキーボードのAキーを押してください。追跡対象の瞳孔が鮮明に写るまで、カメラレンズを回してフォーカスを調整します。

刺激提示用コンピュータのキーボードでCキーを押し、被験者に合わせて視線追跡システムのキャリブレーションを開始します。画面上の9か所の異なる位置に、ランダムな順序でドットが表示されます。被験者は、次のドットが表示される位置を予測するのではなく、ドットが表示されたときにその点を見るようにしてください。

キャリブレーションを検証するには、Vキーを押してください。ドットが再びランダムな順序で表示されます。キャリブレーションが適切に行われていれば、被験者の視線が各検証ドットにマッピングされます。

キャリブレーションに失敗した場合は、瞳孔および角膜反射のしきい値が適切であることを確認してください。瞳孔および角膜のしきい値は、アイランドホストコンピュータのカメラセットアップ画面の左上から調整できます。瞳孔および角膜の上下矢印をクリックすると、それぞれしきい値を上げ下げすることができます。500 Hertzボタンをクリックして、サンプリングレートが500 hertzに設定されていることを確認してください。

刺激提示用コンピュータ上のポップアップキャリブレーションアプリケーションを最小化し、タスクバーのiLinkアイコンを右クリックして「Start recording」を選択し、視線データの記録を開始します。ビデオキャプチャ用コンピュータでは、Black Magic Media Expressソフトウェアを使用してビデオ録画を開始します。次に、EEGキャプチャ用コンピュータで一時停止ボタンをクリックし、EEG記録を開始します。

刺激提示についてですが、コンピューターは「polus」というゲームを開始しました。これは、実験的コントロールを損なうことなく生態学的妥当性を確保するために設計されたカスタムメイドのゲームです。あるゲームでは、被験者は攻撃を受けている貨物船を救出する必要があります。ワームホールを導入することでgo/no-go課題が実装されており、そこからプレイヤーを助ける味方か、あるいはプレイヤーに危害を加える敵のいずれかが現れます。また、別のゲームでは、漂流する星野の中を宇宙船で操縦することで、ドット運動コヒーレンス課題を遂行します。

被験者はレーダースコープを使用して、修正版Posner課題で小惑星を収集します。小惑星が出現する4つのセクターは、それぞれ異なる基本周波数で点滅します。これにより、各セクターに割り当てられた周波数の振幅に基づき、EEGのスペクトル内容の変化から注意力を評価できます。別のゲームでは、顔に描かれた感情を特定することで、銀河条約の締結を支援することが被験者に求められます。

5つの表情のそれぞれをゲームボードの空いている場所に配置し、同じ感情を表す3つの表情を1列（行または列）に並べる必要があります。4つ目のゲームでは、プレイヤーの心の理論を測定するサリーとアンのテストを実施します。キャプテン・サリーが4つの惑星のいずれかに荷物を置く様子を観察してください。

アンの役割は、貨物を別の惑星に移動させる宇宙海賊によって演じられます。最終的に、提督が船長と海賊の両方を観察し、海賊の行動に関する情報を船長に伝えます。プレイヤーは、それぞれがどこで貨物を探そうとするかを推論し、船長と海賊の迎撃コースを策定しなければなりません。これにより、複数の条件間の対比を通じて、一次および二次的な心の理論を実装します。

ヒューマンコンピュータインタラクションにおける最近の結果は、本来であれば魅力的ではないと感じられるタスクにおいて、ゲームというコンテキストがモチベーションを確立し、維持させる強力な手段となることを示しています。これにより、被験者を疲労させることなく、1回の実験セッションの中で、多くの反復試行を伴う複数の認知タスクを実行させることが可能です。EEGの平均化に十分な試行数を確保するためには、各刺激条件につき約100回の試行を蓄積させる必要があり、この点は特に重要です。聴覚刺激を使用する場合は、刺激提示用コンピュータのパッシブスピーカーをパワードスピーカーに交換してください。

次に、アンプのプラグを差し込み、電源を入れます。音量をレベル60に設定してください。これは、被験者がゲームを終了したときに最大音圧レベルを80デシベルSPLにするために必要です。

グラフィカルインターフェース内の停止ボタンを押して、ゲームを終了し、データの記録を停止します。これは、ビデオキャプチャ用、視線追跡用、およびEEG収集用の各コンピュータで行ってください。EEGコンバーターボックスの電源を切り、ボックスからすべてのリード線を外します。

粘着リングを取り外し、温かい蒸留水に入れます。蒸留水を満たしたスプレーボトルを使用して、電極に残っているゲルを除去し、温かい水道水と石鹸を使用して電極キャップからゲルを取り除きます。ここで、代表的なEEGの結果をいくつか示します。

これは前頭正中電極fzから得られたイベント関連スペクトル摂動プロットです。このゲームにおいて、「敵の提示（present enemy）」は敵船の出現またはゴー条件に、「味方の提示（present friendly）」はノーゴー条件における味方船の出現またはノーゴー条件に対応します。一般的に、定型発達児は自閉スペクトラム症の子どもよりも、有意に高いガンマ帯域のEEGパワーを示しました。

本手順を実施する際は、電極接点に触れること、リード線を潰すこと、またはゲルを過剰に使用することを避けることが重要です。