Gjennomføre Hyperscanning eksperimenter med funksjonell nær infrarød spektroskopi

Summary

Nåværende protokollen beskriver hvordan å utføre fNIRS hyperscanning eksperimenter og analysere brain-til-hjerne synkronisering. Videre, vi diskutere utfordringene og mulige løsninger.

Abstract

Samtidige hjernen opptak av to eller flere samspill personer, tilnærming kalt hyperscanning, er stadig økende betydning for vår forståelse av nevrobiologiske fundamentet av sosiale interaksjoner, og muligens mellommenneskelige relasjoner . Funksjonell nær infrarød spektroskopi (fNIRS) er godt egnet for gjennomføre hyperscanning eksperimenter fordi den måler lokale hemodynamic effekter med en høy samplingsfrekvens og, viktigst, det kan brukes i naturlige omgivelser, ikke krever strenge bevegelse begrensninger. I denne artikkelen presenterer vi en protokoll for å gjennomføre fNIRS hyperscanning eksperimenter med foreldre-barn dyads og analysere brain-til-hjerne-synkronisering. Videre diskutere vi viktige problemer og fremtidige retninger, om eksperimentell design, romlig registrering av fNIRS kanaler, fysiologiske påvirkninger og dataanalyse metoder. Beskrevet protokollen er ikke spesifikke for foreldre-barn dyads, men kan brukes til en rekke forskjellige dyadic konstellasjoner, som voksen fremmede, romantiske partnere eller søsken. For å konkludere, har fNIRS hyperscanning potensial til å gi ny innsikt i dynamikken i den pågående sosial interaksjonen, som muligens gå utover hva kan studeres ved å undersøke aktiviteter av personlige hjerner.

Introduction

De siste årene, nevrologer har begynt å studere sosial interaksjon ved hjernen aktivitetene til to eller flere personer samtidig, en tilnærming kalt hyperscanning¹. Denne teknikken åpner nye muligheter for å belyse nevrobiologiske mekanismene bak disse interaksjoner. Å fullt ut forstå sosiale interaksjoner, kan det ikke være tilstrekkelig å studere enkelt hjerner i isolasjon, men heller de felles aktivitetene hjerner samspill personer². Bruke forskjellige neuroimaging teknikker, hyperscanning studier har vist at hjernen aktiviteter samspill personer eller grupper synkroniseres, f.eks, mens de koordinere sine handlinger³, lage musikk⁴, kommunisere⁵, delta i klasserommet aktiviteter⁶ eller samarbeide⁷.

Artikkelen presenterer en protokoll for å gjennomføre samtidig opptak med funksjonell nær infrarød spektroskopi (fNIRS). I likhet med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI), fNIRS måler hemodynamic svaret hjernen aktivisering. Endringer i oksygenrikt og deoxygenated hemoglobin (oxy-Hb og deoxy-Hb) er beregnet basert på hvor mye diffusively nær-infrarøde lyset gjennom vev⁸. fNIRS er godt egnet for å drive hyperscanning eksperimenter, spesielt med barn, fordi det kan brukes i mindre begrenset og mer naturlig enn fMRI. Dessuten er det mindre utsatt for bevegelse gjenstander enn både fMRI og EEG⁹. I tillegg fNIRS data kan skaffes på høye samplingsfrekvenser (f.eks, 10 Hz), således svært oversamples relativt treg hemodynamic svaret og dermed potensielt gir et mer fullstendig timelige bilde av hjernen hemodynamics¹⁰ .

Denne protokollen ble utviklet innen studiet av Reindl et al. ¹¹ og er litt endret (særlig med hensyn til kanal plassering og dårlig kanalen ID) nylig. Målet med undersøkelsen var å undersøke synkronisert hjerneaktiviteten til overordnet-underordnet dyads. Bruker fNIRS hyperscanning, vurdert vi brain-til-hjerne synkronisering i prefrontal hjernen områder for barn (i alderen fem til ni år) og deres foreldre, hovedsakelig mødre, under et samarbeid og en konkurransedyktig datamaskin aktivitet. Prefrontal hjernen regioner var rettet som de hadde blitt identifisert som viktige områder for sosiale interaktive prosesser i forrige hyperscanning studier¹. Kooperativ og konkurransedyktig oppgaven ble opprinnelig utviklet av Cui et al. ¹² og nylig ansatt av flere tidligere studier^13,14,15. For studier av Reindl et al. ¹¹, aktivitetene ble endret til å være egnet for barn. Deltakerne ble bedt om å enten svare fellesskap via tastetrykk som svar på et mål (samarbeid) eller å svare raskere enn den andre spilleren (konkurranse). Hvert barn utført hver oppgave når foreldre og når en voksen fremmed av samme kjønn som overordnet. Innenfor hvert barn-voksen dyad, ble wavelet sammenheng beregnet for oxy-Hb signalene tilsvarende kanaler som et mål på brain-til-hjerne synkronisering.

Denne protokollen beskriver prosedyrene for å samle fNIRS hyperscanning informasjon av overordnede og underordnede under samarbeidsvillig og konkurransedyktige spillet. Generelle fremgangsmåten, men er ikke spesifikke for denne forskningsdesign men passer for ulike befolkningsgrupper (f.eks, voksen fremmede, romantiske partnere, søsken, etc.) og kan tilpasses for en rekke forskjellige eksperimentelle aktiviteter. Denne protokollen også skisserer en mulig analytiske prosedyren som dekker nødvendig og valgfrie data analyse, medregnet fNIRS data forbehandling, dårlig kanal deteksjon, wavelet sammenheng analyse og validering av tilfeldige par analyse.

Protocol

Før deltakelse, alle foreldre / barn gitt samtykke / samtykke. Studien ble godkjent av den etiske komiteen av medisinske fakultetet av RWTH Aachen University. 1. forberedelse før deltakeren kommer Forberede NIRS caps. Velg cap størrelsene like stor som eller litt større enn deltakerens hodeomkrets. Skjære 15 hull med en diameter på ca 15 mm hver, ordnet i et vannrett 3 x 5-rutenett, i pannen området hver 2 rå EEG landskamper (se Tabell for materiale…

Representative Results

Representant data av en foreldre-barn dyad under samarbeidende tilstanden er vist i figur 1. Kooperativ aktiviteten består av tre 30 s resten blokker og to oppgave blokker, med 20 forsøk hver, presentert i alternerende rekkefølge. I hver prøve må deltakerne reagere som samtidig som mulig for å en signal å tjene en punkt11. <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/file…

Discussion

I denne protokollen viser vi hvordan du fNIRS hyperscanning eksperimenter og en mulig måte å analysere brain-til-hjerne synchrony, måle konsentrasjon endringer av oxy-Hb og deoxy-Hb frontal hjernen regioner av to fag samtidig. FNIRS hyperscanning er relativt enkelt å bruke: én NIRS enhet er tilstrekkelig til å måle hjernen aktiviteter både fag ved å dele optodes mellom dem. Dermed er ingen synkronisering mellom forskjellige enheter nødvendig¹. Videre, siden fNIRS ikke krever strenge beve…

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).