Hyperscanning experimentos com espectroscopia de infravermelho próximo funcional

Summary

O presente protocolo descreve como realizar experimentos de hyperscanning de fNIRS e analisar o cérebro-cérebro de sincronia. Além disso, discutimos os desafios e as soluções possíveis.

Abstract

Gravações simultâneas de cérebro de duas ou mais pessoas interagindo, uma abordagem denominada hyperscanning, estão ganhando importância crescente para a nossa compreensão das bases neurobiológicas do interações sociais e relações interpessoais possivelmente . Espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS) é bem adequada para experimentos de hyperscanning porque ele mede efeitos hemodinâmicos locais com uma alta taxa de amostragem e, importante, pode ser aplicado em ambientes naturais, não exigindo movimento estrito restrições. Neste artigo, apresentamos um protocolo para a realização de experiências de hyperscanning fNIRS com díades mãe-criança e para analisar sincronia de cérebro-para-cérebro. Além disso, podemos discutir questões críticas e direções futuras, sobre o projeto experimental, registo espacial dos canais fNIRS, influências fisiológicas e métodos de análise de dados. O protocolo descrito não é específico para díades mãe-criança, mas pode ser aplicado a uma variedade de diferentes constelações diádica, como adultos estranhos, parceiros românticos ou irmãos. Para concluir, fNIRS hyperscanning tem potencial para produzir novos insights sobre a dinâmica da interação social em curso, que possivelmente ultrapassam o que pode ser estudado, examinando as atividades dos cérebros individuais.

Introduction

Nos últimos anos, neurocientistas começaram a estudar as interações sociais, gravando-as atividades do cérebro de duas ou mais pessoas simultaneamente, uma abordagem denominada hyperscanning¹. Esta técnica abre novas oportunidades para elucidar os mecanismos neurobiológicos subjacentes a essas interações. Para compreender as interações sociais, pode não ser suficiente estudar o cérebro único em isolamento, mas prefiro as actividades conjuntas dos cérebros de interação de pessoas². Usando técnicas de neuroimagem diferentes, hyperscanning os estudos mostraram aquele cérebro sincronizar as atividades de interação de pessoas ou grupos, por exemplo, enquanto eles coordenam suas ações³, fazer música⁴,⁵, comunicar-se se envolver em atividades de sala de aula⁶ ou⁷de cooperar.

O artigo apresenta um protocolo para a realização de gravações simultâneas com funcional espectroscopia de infravermelho próximo (fNIRS). Semelhante à ressonância magnética funcional (fMRI), fNIRS mede a resposta hemodinâmica à ativação do cérebro. Alterações na hemoglobina oxigenada e desoxigenada (oxi-Hb e deoxy-Hb) são calculadas com base na quantidade de luz de infravermelho próximo diffusively transmitida através de do tecido⁸. fNIRS é bem adequado para a realização de experiências de hyperscanning, especialmente com crianças, porque pode ser aplicado em configurações mais naturais e menos restrita do que a ressonância magnética. Além disso, é menos propenso a artefatos de movimento do que ambos, fMRI e EEG⁹. Além disso, dados de fNIRS podem ser adquiridos na alta frequência de amostragem (por exemplo, 10 Hz), assim, altamente oversamples a resposta hemodinâmica relativamente lenta e, assim, potencialmente fornece uma imagem mais completa de temporal de hemodinâmica o cérebro¹⁰ .

Este protocolo foi desenvolvido no âmbito do estudo de Reindl et al ¹¹ e foi ligeiramente modificado (em especial no que diz respeito à colocação de canal e identificação de canal ruim) mais recentemente. O objetivo do estudo foi examinar a atividade cerebral sincronizada de díades mãe-criança. Usando o fNIRS hyperscanning, avaliamos sincronia de cérebro-para-cérebro em áreas pré-frontal do cérebro das crianças (idade entre cinco a nove anos) e seus pais, principalmente mães, durante uma cooperativa e uma tarefa de computador do competidor. Regiões pré-frontal do cérebro foram apontadas como eles tinham sido identificados como importantes regiões para sociais processos interativos em anteriores estudos de hyperscanning¹. A tarefa de cooperativa e competitiva foram originalmente desenvolvidos por Cui et al ¹² e recentemente independentes por vários anteriores estudos^13,14,15. Para o estudo da Reindl et al ¹¹, as tarefas foram modificadas para ser adequado para crianças. Os participantes foram instruídos também responder conjuntamente via pressiona o botão em resposta a um alvo (cooperação) ou para responder mais rápido do que o outro jogador (concorrência). Cada criança realizada cada tarefa uma vez com o pai e uma vez com um estranho adulto do mesmo sexo como o pai. Dentro de cada díade criança-adulto, coerência de wavelet foi calculada para os sinais de oxi-Hb de canais correspondentes como uma medida de sincronia de cérebro-para-cérebro.

Este protocolo descreve os procedimentos para coletar dados de hyperscanning fNIRS de pai e filho durante o jogo cooperativo e competitivo. O procedimento geral, no entanto, não é específico para este projeto de pesquisa, mas é apropriado para diferentes populações (por exemplo, adultos estranhos, parceiros românticos, irmãos, etc.) e pode ser adaptado para um número de diferentes tarefas experimentais. Este protocolo também descreve um possível procedimento analítico, que abrange as etapas de análise de dados necessários e opcionais, incluindo pré-processamento de dados fNIRS, deteção de canal ruim, análise de coerência de wavelets e validação pela análise par aleatório.

Protocol

Antes da participação, todos os pais / filhos desde o consentimento informado / parecer favorável. O estudo foi aprovado pelo Comitê de ética da faculdade médica de RWTH Aachen Universidade. 1. preparação antes da chegada do participante Prepare as tampas do NIRS. Escolha os tamanhos da tampa do mesmo tamanho ou ligeiramente maior do que a circunferência da cabeça do participante. Corte 15 furos com um diâmetro de cerca de 15 mm cada, organizados em uma …

Representative Results

Dados representativos de uma díade mãe-filho durante a condição de cooperativa são mostrados na Figura 1. A tarefa cooperativa consiste de três 30 s resto blocos e blocos de duas tarefas, com 20 testes cada, apresentados em ordem de alternadas. Em cada julgamento, os participantes têm de reagir tão simultaneamente quanto possível a um sinal para ganhar um ponto11. <i…

Discussion

Neste protocolo, mostramos como conduzir experimentos de hyperscanning de fNIRS e uma maneira de analisar o cérebro-para-cérebro sincronia, medindo as alterações de concentração de oxi-Hb e deoxy-Hb em regiões do cérebro frontal de duas disciplinas simultaneamente. FNIRS hyperscanning é relativamente fácil de aplicar: um único dispositivo NIRS é suficiente para medir as atividades cerebrais de ambos os assuntos dividindo os optodes entre eles. Assim, nenhuma sincronização entre dispositivos diferentes é ne…

Materials

NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids	Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan	ETG-4000 Optical Topography System	The current study protocol requires an optional second adult probe set for 52 channels of measurement in total as well as two 3×5 probe holder grids.
raw EEG caps	EASYCAP GmbH, Herrsching, Germany	C-SCMS-56; C-SCMS-58	Caps must be provided with holes for NIRS probes by the experimenter. Choose cap size the same size or slightly larger than participant's head circumference.
Technical computing software	The MathWorks, Inc., Natick, MA	MATLAB R2014a (or later versions)	Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), SPM for fNIRS toolbox  (fNIRS data analysis), and ASToolbox (WTC computation).