Genomföra Hyperscanning experiment med funktionella nära-infraröd spektroskopi
Summary
Protokolls beskriver hur att utföra fNIRS hyperscanning experiment och analysera brain-till-hjärnan synchrony. Vidare diskuterar vi utmaningar och möjliga lösningar.
Abstract
Samtidiga hjärnan inspelningar av två eller flera samverkande personer, en metod som kallas hyperscanning, vinner allt större betydelse för vår förståelse av den neurobiologiska underbyggnaden av sociala interaktioner, och möjligen mellanmänskliga relationer . Funktionella nära-infraröd spektroskopi (fNIRS) är väl lämpad för genomföra hyperscanning experiment eftersom den mäter lokala hemodynamiska effekter med en hög samplingsfrekvens och, ännu viktigare, det kan tillämpas i naturmiljöer, som inte kräver stränga motion begränsningar. I denna artikel presenterar vi ett protokoll för att utföra fNIRS hyperscanning experiment med överordnade och underordnade hjärtsvikten och analysera brain-till-hjärnan synchrony. Dessutom diskuterar vi kritiska frågor och framtida inriktningar, avseende försöksplanering, spatial registrering av fNIRS kanaler, fysiologiska influenser och data analysmetoder. Protokollet beskrivs är inte specifika för överordnade och underordnade hjärtsvikten, men kan tillämpas på en mängd olika Dyadiska konstellationer, såsom vuxna främlingar, romantisk partner eller syskon. Avslutningsvis har fNIRS hyperscanning potential att ge nya insikter i dynamiken i pågående social interaktion, som möjligen går utöver vad som kan studeras genom att undersöka verksamheten i enskilda hjärnor.
Introduction
Under de senaste åren, neuroforskare har börjat studera sociala interaktioner genom inspelningen hjärnan verksamheten i två eller flera personer samtidigt, en metod kallas hyperscanning1. Denna teknik öppnar nya möjligheter att belysa de neurobiologiska mekanismer som ligger bakom dessa interaktioner. För att fullt förstå sociala interaktioner, kan det inte räcka att studera enstaka hjärnor i isolering utan snarare gemensamma aktiviteter av hjärnor av interagerande personer2. Använda olika neuroradiologiska tekniker, hyperscanning studier har visat att hjärnan aktiviteter av interagerande personer eller grupper synkronisera, t.ex., medan de samordnar sina åtgärder3, göra musik4, kommunicera5, engagera sig i klassrummet aktiviteter6 eller samarbeta7.
I artikeln presenteras ett protokoll för att genomföra samtidiga inspelningar med funktionella nära-infraröd spektroskopi (fNIRS). Liknar funktionell magnetresonanstomografi (fMRI), fNIRS mäter den hemodynamiska responsen till hjärnans aktivering. Förändringar i syresatt och syrefattigt hemoglobin (oxy-Hb och deoxy-Hb) beräknas baserat på mängden diffusively överförda nära infrarött ljus genom vävnad8. fNIRS är väl lämpad för att genomföra hyperscanning experiment, särskilt med barn, eftersom det kan tillämpas i mindre begränsade och mer naturliga inställningar än fMRI. Dessutom är det mindre benägna att rörelse artefakter än både, fMRI och EEG9. Dessutom fNIRS data kan förvärvas i höga samplingsfrekvenser (t.ex., 10 Hz), således mycket oversamples den relativt långsamma hemodynamiska responsen och därmed potentiellt ger en mer komplett temporal bild av den hjärnan hemodynamiken10 .
Detta protokoll utvecklades inom studiet av Reindl o.a. 11 och har ändrats något (i synnerhet med avseende på kanal placering och dålig kanal identifiering) nyligen. Syftet med studien var att undersöka synkroniserade hjärnaktiviteten hos överordnad-underordnad hjärtsvikten. Med fNIRS hyperscanning, utvärderade vi brain-till-hjärnan synchrony i prefrontala hjärnområden av barn (i åldern fem till nio år) och deras föräldrar, främst mödrar, under ett kooperativ och en konkurrenskraftig dator aktivitet. Prefrontala hjärnregioner riktade som de hade identifierats som viktiga regioner sociala interaktiva processer i föregående hyperscanning studier1. Den kooperativa och konkurrenskraftiga uppgiften utvecklades ursprungligen av Cui o.a. 12 och nyligen anställd av flera tidigare studier13,14,15. För att studera Reindl o.a. 11, uppgifterna ändrades för att lämpa sig för barn. Deltagarna instruerades att antingen svara gemensamt via knapptryckningar som svar på ett mål (samarbete) eller att svara snabbare än den andra spelaren (konkurrens). Varje barn utförs varje aktivitet en gång med förälder och en gång med en vuxen främling av samma kön som förälder. Inom varje barn-vuxen dyad beräknades wavelet samstämmighet för oxy-Hb signaler av motsvarande kanaler som ett mått på brain-till-hjärnan synchrony.
Det här protokollet beskriver procedurerna för att samla in fNIRS hyperscanning data av överordnade och underordnade under spelets kooperativa och konkurrenskraftiga. Det övergripande förfarandet, dock är inte specifikt för denna forskningsdesign men är lämpligt för olika populationer (t.ex., vuxna främlingar, romantisk partner, syskon, etc.) och kan anpassas för en rad olika experimentella uppgifter. Detta protokoll beskriver också ett möjligt analysförfarande, som täcker nödvändiga och valfria data analys steg, inklusive fNIRS data förbehandling, dålig kanal upptäckt, wavelet konsekvens analys och validering av slumpmässiga par analys.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta protokoll visar vi hur man genomför fNIRS hyperscanning experiment och ett möjligt sätt att analysera brain-till-hjärnan synchrony, mäta koncentrationen förändringar av oxy-Hb och deoxy-Hb på frontal hjärnregioner i två ämnen samtidigt. FNIRS hyperscanning är relativt lätt att applicera: en NIRS enhet är tillräcklig för att mäta hjärnans aktiviteter av båda ämnena genom att dela upp optodes dem emellan. Således är ingen synkronisering mellan olika enheter nödvändigt1</sup…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete finansierades av Excellence initiativ av den tyska federala staten och regeringen (ERS fröfond, OPSF449). Hitachi NIRS systemet stöddes av en finansiering av tysk forskning stiftelsen DFGEN (INST 948/18-1 FUGG).
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). |
References
- Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
- Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
- Funane, T., et al. Synchronous activity of two people’s prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 077011 (2011).
- Lindenberger, U., Li, S. -. C., Gruber, W., Müller, V. Brains swinging in concert: cortical phase synchronization while playing guitar. BMC Neuroscience. 10, 22 (2009).
- Jiang, J., et al. Neural synchronization during face-to-face communication. Journal of Neuroscience. 32 (45), 16064-16069 (2012).
- Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
- Liu, N., et al. NIRS-based hyperscanning reveals inter-brain neural synchronization during cooperative Jenga game with face-to-face communication. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 82 (2016).
- Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
- Lloyd-Fox, S., Blasi, A., Elwell, C. Illuminating the developing brain: the past, present and future of functional near infrared spectroscopy. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 34 (3), 269-284 (2010).
- Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage. 29 (2), 368-382 (2006).
- Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
- Cui, X., Bryant, D. M., Reiss, A. L. NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation. NeuroImage. 59 (3), 2430-2437 (2012).
- Baker, J. M., et al. Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning. Scientific Reports. 6, 26492 (2016).
- Cheng, X., Li, X., Hu, Y. Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: a fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 36 (6), 2039-2048 (2015).
- Pan, Y., Cheng, X., Zhang, Z., Li, X., Hu, Y. Cooperation in lovers: an fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 38 (2), 831-841 (2017).
- Kleiner, M., Brainard, D., Pelli, D. What’s new in Psychtoolbox-3?. Perception. 36, (2007).
- Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Applied Optics. 48 (10), D280-D298 (2009).
- Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR Toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
- Tak, S., Uga, M., Flandin, G., Dan, I., Penny, W. D. Sensor space group analysis for fNIRS data. Journal of Neuroscience Methods. 264, 103-112 (2016).
- Scholkmann, F., Spichtig, S., Muehlemann, T., Wolf, M. How to detect and reduce movement artifacts in near-infrared imaging using moving standard deviation and spline interpolation. Physiological Measurement. 31 (5), 649-662 (2010).
- van der Kant, A., Biro, S., Levelt, C., Huijbregts, S. Negative affect is related to reduced differential neural responses to social and non-social stimuli in 5-to-8-month-old infants: a functional near-infrared spectroscopy-study. Developmental Cognitive Neuroscience. 30, 23-30 (2018).
- Bastos, A. M., Schoffelen, J. -. M. A tutorial review of functional connectivity analysis methods and their interpretational pitfalls. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 175 (2016).
- Grinsted, A., Moore, J. C., Jevrejeva, S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlinear Processes in Geophysics. 11, 561-566 (2004).
- Aguiar-Conraria, L., Soares, M. J. The continuous wavelet transform: moving beyond uni-and bivariate analysis. Journal of Economic Surveys. 28 (2), 344-375 (2014).
- Nozawa, T., Sasaki, Y., Sakaki, K., Yokoyama, R., Kawashima, R. Interpersonal frontopolar neural synchronization in group communication: an exploration toward fNIRS hyperscanning of natural interactions. NeuroImage. 133, 484-497 (2016).
- Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
- Tsuzuki, D., Dan, I. Spatial registration for functional near-infrared spectroscopy: from channel position on the scalp to cortical location in individual and group analyses. NeuroImage. 85, 92-103 (2014).
- Tachtsidis, I., Scholkmann, F. False positives and false negatives in functional near-infrared spectroscopy: issues, challenges, and the way forward. Neurophotonics. 3 (3), 031405 (2016).
- Palumbo, R. V., et al. Interpersonal autonomic physiology: a systematic review of the literature. Personality and Social Psychology Review. 21 (2), 99-141 (2016).
- Pinti, P., et al. The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences. , (2018).
- Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. NeuroImage. 85 (1), 181-191 (2014).
- Cooper, R. J., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
- Hirsch, J., Zhang, X., Noah, J. A., Ono, Y. Frontal temporal and parietal systems synchronize within and across brains during live eye-to-eye contact. NeuroImage. 157, 314-330 (2017).
- Scholkmann, F., Holper, L., Wolf, U., Wolf, M. A new methodical approach in neuroscience: assessing inter-personal brain coupling using functional near-infrared imaging (fNIRI) hyperscanning. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 813 (2013).
