Hyperscanning Experimente mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie

Summary

Dieses Protokoll beschreibt, wie fNIRS Hyperscanning Experimente durchführen und analysieren von Gehirn zu Gehirn Synchronität. Darüber hinaus diskutieren wir Herausforderungen und mögliche Lösungen.

Abstract

Gleichzeitige Gehirn Aufnahmen von mindestens zwei interagierende Personen ein Ansatz bezeichnet Hyperscanning, gewinnen zunehmenden Bedeutung für unser Verständnis von den neurobiologischen Grundlagen der sozialen Interaktionen und möglicherweise zwischenmenschliche Beziehungen . Funktionale Nah-Infrarot-Spektroskopie (fNIRS) eignet sich gut für Hyperscanning Experimente, denn er lokale hämodynamische Effekte mit einer hohen Abtastrate misst und vor allem in der Natur, ohne dass strenge Bewegung angewendet werden Einschränkungen. In diesem Artikel präsentieren wir ein Protokoll für fNIRS Hyperscanning Experimente mit Eltern-Kind-Dyaden und Analyse Synchronität von Gehirn zu Gehirn. Darüber hinaus diskutieren wir kritische Probleme und zukünftige Richtungen hinsichtlich der Versuchsplanung, räumliche Registrierung der fNIRS Kanäle, physiologische Einflüsse und Daten-Analyse-Methoden. Das beschriebene Protokoll ist nicht spezifisch für Eltern-Kind-Dyaden, sondern kann auch auf eine Vielzahl von unterschiedlichen dyadische Konstellationen, wie Erwachsene fremde, romantischen Partner oder Geschwister. Abschließend möchte ich sagen, hat fNIRS Hyperscanning das Potenzial, liefern neue Erkenntnisse über die Dynamik der laufenden sozialen Interaktion, die möglicherweise über das hinausgehen, was durch die Untersuchung der Aktivitäten der einzelnen Gehirne untersucht werden kann.

Introduction

In den letzten Jahren Neurowissenschaftler haben damit begonnen, soziale Interaktionen zu untersuchen, indem Sie die Hirnaktivitäten von zwei oder mehr Personen gleichzeitig aufzeichnen, ein Ansatz bezeichnet Hyperscanning¹. Diese Technik eröffnet neue Möglichkeiten, die neurobiologischen Mechanismen diese Wechselwirkungen aufzuklären. Um soziale Interaktionen zu verstehen, kann es nicht ausreichend, um einzelne Gehirne in Isolation, sondern vielmehr die gemeinsamen Aktivitäten der Gehirne von interagierenden Personen²studieren sein. Verwenden verschiedene bildgebende Verfahren, Hyperscanning Studien haben gezeigt, dass Gehirn, die Aktivitäten der interagierenden Personen oder Personengruppen zu synchronisieren, z.B., während sie ihre Aktionen³koordinieren, machen Musik⁴,⁵zu kommunizieren, ins Klassenzimmer Aktivitäten⁶ oder⁷zusammenarbeiten.

Der Artikel stellt ein Protokoll für die Durchführung von gleichzeitigen Aufnahmen mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie (fNIRS). Ähnlich wie bei der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), fNIRS misst die hämodynamische Reaktion auf Gehirn-Aktivierung. Änderungen im sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin (oxy-Hb und Deoxy-Hb) sind über die Höhe der Nah-Infrarot-diffusively Durchlicht durch Gewebe⁸berechnet. fNIRS eignet sich gut für Hyperscanning Experimente, vor allem mit Kindern, da es in weniger eingeschränkt und natürlicheren Einstellungen als fMRI angewendet werden kann. Darüber hinaus ist es weniger anfällig für Bewegungsartefakte als fMRI und EEG-⁹. Darüber hinaus fNIRS Daten mit hohen Abtastraten (z.B. 10 Hz) erworben werden können, damit es sehr oversamples die relativ langsame hämodynamische Reaktion und damit potenziell bietet ein vollständiges zeitliche Bild des Gehirns Hämodynamik¹⁰ .

Dieses Protokoll wurde im Rahmen der Studie von Reindl Et Al. entwickelt. ¹¹ und leicht verändert wurde (insbesondere in Bezug auf die Kanal-Platzierung und schlechte Kanal Identifikation) vor kurzem. Ziel der Studie war, synchronisierte Hirnaktivität von Eltern-Kind-Dyaden zu untersuchen. Mit fNIRS Hyperscanning, untersuchten wir Gehirn zu Gehirn Synchronität in präfrontaler Hirnregionen von Kindern (im Alter von fünf bis neun Jahren) und ihre Eltern, vor allem Mütter während einer Genossenschaft und eine wettbewerbsfähige Computer-Aufgabe. Präfrontaler Hirnregionen wurden gezielt, wie sie sich als wichtige Regionen für soziale Interaktionsprozesse in früheren Hyperscanning Studien¹erwiesen hatte. Die kooperative und wettbewerbsfähigere Aufgabe wurden ursprünglich von Cui Et al. ¹² und kürzlich eingestellten von mehreren früheren Studien^13,14,15. Für die Untersuchung von Reindl Et al. ¹¹, die Aufgaben wurden geändert, um für Kinder geeignet. Teilnehmer waren entweder gemeinsam über Tastendrücke in Reaktion auf ein Ziel (Zusammenarbeit) reagieren oder reagieren schneller als der andere Spieler (Wettbewerb) angewiesen. Jedes Kind durchgeführt jede Aufgabe einmal mit dem Elternteil und einmal mit einem Erwachsenen fremden des gleichen Geschlechts wie das übergeordnete Element. Innerhalb jedes Kind-Erwachsener-Dyade wurde Wavelet Kohärenz für die oxy-Hb-Signale der entsprechenden Kanäle als Maß für die Synchronität von Gehirn zu Gehirn berechnet.

Dieses Protokoll beschreibt die Verfahren zur Erhebung von fNIRS Hyperscanning Daten von Eltern und Kind während der kooperativen und wettbewerbsfähige Spiel. Das gesamte Verfahren, jedoch ist nicht spezifisch für dieses Forschungsdesign aber eignet sich für verschiedene Populationen (z.B., Erwachsenen fremden, romantischen Partner, Geschwister, etc.) und kann für eine Reihe von verschiedenen experimentellen Aufgaben angepasst werden. Dieses Protokoll beschreibt auch eine mögliche analytische Vorgehensweise, die erforderlichen und optionalen Daten Analyseschritte, einschließlich fNIRS Daten Vorverarbeitung, schlechte Kanalerkennung, Wavelet-Kohärenz-Analyse und Validierung durch zufällige paar Analyse abdeckt.

Protocol

Vor der Teilnahme, alle Eltern / Kinder vorgesehen Einwilligung / zustimmen. Die Studie wurde von der Ethikkommission der medizinischen Fakultät der RWTH Aachen genehmigt. 1. Vorbereitung vor der Teilnehmer kommt Bereiten Sie NIRS Kappen. Wählen Sie die Kappe Größen gleich groß oder etwas größer als der Kopfumfang des Teilnehmers. Schnitt 15 Löcher mit einem Durchmesser von ca. 15 mm, angeordnet in einem horizontalen 3 x 5-Raster, in Stirnbereich aller 2 ro…

Representative Results

Repräsentative Daten von einer Eltern-Kind-Dyade während der Kooperative Zustand sind in Abbildung 1dargestellt. Die kooperative Aufgabe besteht aus drei 30 s Rest Blöcke und zwei Aufgabe Blöcke mit jeweils 20 Studien in abwechselnder Reihenfolge vorgestellt. In jeder Studie müssen Teilnehmer gleichzeitig möglich, ein Signal an einem Punkt11verdienen reagieren. <img alt…

Discussion

In diesem Protokoll zeigen wir, wie zur Durchführung fNIRS Hyperscanning Experimente und eine Möglichkeit zum Analysieren von Gehirn zu Gehirn Synchronität, gleichzeitige Messung der Konzentration Änderungen der oxy-Hb und Deoxy-Hb bei frontalen Hirnregionen von zwei Themen. FNIRS Hyperscanning ist relativ einfach anzuwenden: ein einziges NIRS-Gerät ist ausreichend, um die Hirnaktivitäten beider Fächer zu messen, durch die Aufteilung der Optodes zwischen ihnen. Somit ist keine Synchronisation zwischen verschiedene…

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).