Mesure du flux d’informations directionnelles dans les données d’hyperscan fNIRS à l’aide de la méthode de cohérence de transformation partielle des ondelettes

Summary

Ce protocole décrit la cohérence partielle de la transformation des ondelettes (pWTC) pour calculer le modèle décalé dans le temps de la synchronisation neuronale interpersonnelle (INS) afin de déduire la direction et le modèle temporel du flux d’informations au cours de l’interaction sociale. L’efficacité du pWTC dans l’élimination des confusions de l’autocorrélation du signal sur l’INS a été prouvée par deux expériences.

Abstract

L’interaction sociale est d’une importance vitale pour les êtres humains. Alors que l’approche de l’hyperscan a été largement utilisée pour étudier la synchronisation neuronale interpersonnelle (INS) au cours des interactions sociales, la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) est l’une des techniques les plus populaires pour hyperscanner les interactions sociales naturalistes en raison de sa résolution spatiale relativement élevée, de sa localisation anatomique sonore et de sa tolérance exceptionnellement élevée aux artefacts de mouvement. Les études précédentes d’hyperscan basées sur fNIRS calculent généralement un INS décalé dans le temps en utilisant la cohérence de transformation d’ondelettes (WTC) pour décrire la direction et le modèle temporel du flux d’informations entre les individus. Cependant, les résultats de cette méthode pourraient être confondus par l’effet d’autocorrélation du signal fNIRS de chaque individu. Pour résoudre ce problème, une méthode appelée cohérence de transformation partielle des ondelettes (pWTC) a été introduite, qui visait à éliminer l’effet d’autocorrélation et à maintenir la haute résolution du spectre temporel du signal fNIRS. Dans cette étude, une expérience de simulation a d’abord été réalisée pour montrer l’efficacité du pWTC dans l’élimination de l’impact de l’autocorrélation sur l’INS. Ensuite, des conseils étape par étape ont été offerts sur le fonctionnement du pWTC basé sur l’ensemble de données fNIRS d’une expérience d’interaction sociale. De plus, une comparaison entre la méthode pWTC et la méthode WTC traditionnelle et celle entre la méthode pWTC et la méthode de causalité de Granger (GC) a été établie. Les résultats ont montré que le pWTC pouvait être utilisé pour déterminer la différence INS entre différentes conditions expérimentales et le modèle directionnel et temporel de l’INS entre les individus au cours des interactions sociales naturalistes. De plus, il offre une meilleure résolution temporelle et de fréquence que le WTC traditionnel et une meilleure flexibilité que la méthode GC. Ainsi, pWTC est un candidat solide pour déduire la direction et le modèle temporel du flux d’informations entre les individus au cours des interactions sociales naturalistes.

Introduction

L’interaction sociale est d’une importance vitale pour les êtres humains ^1,2. Pour comprendre le mécanisme neurocognitif à double cerveau de l’interaction sociale, l’approche de l’hyperscan a récemment été largement utilisée, montrant que les modèles de synchronisation neuronale interpersonnelle (INS) peuvent bien caractériser le processus ^{d’interaction} sociale 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12

Protocol

Le protocole d’expérimentation humaine a été approuvé par le comité d’examen institutionnel et le comité d’éthique du Laboratoire clé d’État des neurosciences cognitives et de l’apprentissage de l’Université normale de Beijing. Tous les participants ont donné leur consentement éclairé écrit avant le début de l’expérience.

1. L’expérience de simulation

1. Générez deux séries chronologiques de signaux qui sont en corrélation les uns avec les autres, avec un signal ayant une autocorrélation à un décalage de 4 s. Définissez le coefficient de corrélation de r entre les deux signaux sur 0,4.
2. De plus, générez deux séries chronolog....

Results

Résultats de la simulation
Les résultats ont montré que le_WTC INS avec autocorrélation retardé dans le temps était significativement plus élevé que le_WTC INS retardé dans le temps sans autocorrélation (t(1998) = 4,696, p < 0,001) et l’INS_pWTC décalé dans le temps (t(1998) = 5,098, p < 0,001). De plus, il n’y avait pas de différence significative entre l’INS_WTC sans autocorrélation décalé dans le temps et l’INS_pWTC .......

Discussion

Dans les études d’hyperscan, il est généralement essentiel de décrire les modèles directionnels et temporels de la circulation de l’information entre les individus. La plupart des études précédentes sur l’hyperscan fNIRS ont utilisé le WTC²⁵ traditionnel pour déduire ces caractéristiques en calculant l’INS décalé dans le temps. Cependant, comme l’une des caractéristiques intrinsèques du signal fNIRS^20,21, l’effet d’autocorrélation pourrait.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Système de topographie fNIRS	Shimadzu Corporation	Système LABNIRS Shimadzu Le système LABNIRS	contient 40 émetteurs et 40 détecteurs pour la mesure des signaux fNIRS. Dans ce protocole, nous avons utilisé ces émetteurs et détecteurs, créé deux ensembles de sondes personnalisées à 26 canaux et attachés à deux capuchons accrochés au système 10-20. De plus, le système LABNIRS contient également des logiciels d’interface graphique intégrés pour le contrôle de la qualité des données, la conversion et l’exportation des données.
MATLAB	The MathWorks, Inc.	MATLAB 2019a	Dans ce protocole, plusieurs boîtes à outils et fonctions ont été utilisées dans MATLAB : boîte à outils SPM12 a été utilisée pour normaliser les données IRM validées via son interface graphique. NIRS_SPM boîte à outils a été utilisée pour projeter les coordonnées MNI des sondes vers le modèle AAL via son interface GUI. La boîte à outils Homer3 a été utilisée pour supprimer les artefacts de mouvement via sa fonction hmrMotionCorrectWavelet avec les paramètres par défaut. Wavelet toolbox a été utilisé pour calculer WTC et pWTC via sa fonction wcoherence.
Scanner IRM	Siemens Healthineers	TRIO 3-Tesla	Dans ce protocole, le scanner IRM a été utilisé pour obtenir les coordonnées MNI de chaque canal et optpde. Les paramètres de balayage sont décrits dans le texte principal.
			Dans ce protocole, nous avons d’abord marqué deux casquettes en nylon avec le système 10-20. Ensuite, nous avons réalisé deux ensembles de sondes optode personnalisées à 26 canaux. Enfin, nous avons attaché des ensembles de sondes à des capuchons alignés avec des points de repère.