ניסויים Hyperscanning עם ספקטרוסקופיית אינפרא אדום הפונקציונליים
Summary
בפרוטוקול הנוכחי מתאר כיצד לערוך ניסויים hyperscanning fNIRS וניתוח synchrony למוח. יתר על כן, נדון אתגרים ופתרונות אפשריים.
Abstract
המוח בו-זמניות הקלטות של שני אנשים או יותר אינטראקציה, גישה כינה hyperscanning, צובר קרנם על הבנתנו הפסיכולוגי הנוירוביולוגי של אינטראקציות חברתיות, וביחסים בין-אישיים ואולי . ספקטרוסקופיית אינפרא אדום הפונקציונליים (fNIRS) הוא גם מתאים ניסויים hyperscanning כי זה מודד המקומי בגרימת תופעות עם קצב הדגימה גבוהה, חשוב, זה יכול להיות מיושם בסביבה טבעית, לא דורש תנועה קפדנית הגבלות. במאמר זה, נציג פרוטוקול עבור ניסויים fNIRS hyperscanning עם דיאדת הורה-ילד, ניתוח synchrony למוח. יתר על כן, נדון בעיות קריטיות וכיוונים עתידיים, לגבי עיצוב ניסיוני, רישום המרחבי של ערוצי fNIRS, השפעות פיזיולוגיות, שיטות ניתוח הנתונים. הפרוטוקול המתואר אינה ספציפית כדי דיאדת הורה-ילד, אבל יכול להיות מיושם למגוון של הכוכבים dyadic שונים, כגון זרים למבוגרים, שותפים רומנטיים או אחים. לסיכום, fNIRS hyperscanning יש את הפוטנציאל להניב תובנות חדשות הדינמיקה של אינטראקציה חברתית מתמשכת, אשר אולי ללכת מעבר מה יכול להילמד על ידי בחינת הפעילות של המוח בודדים.
Introduction
בשנים האחרונות, מדעני מוח החלו ללמוד אינטראקציות חברתיות ע י הקלטת את פעילות המוח של שני אנשים או יותר בו זמנית, גישה כינה hyperscanning1. טכניקה זו פותח הזדמנויות חדשות התירי המנגנונים הנוירוביולוגי אינטראקציות אלה. כדי להבין באופן מלא אינטראקציות חברתיות, לא ייתכן מספיקים ללמוד שכל יחיד בידוד, אבל מעדיף פעילויות משותפות של המוח של אנשים שמעצבת2. שימוש בטכניקות דימות מוחי שונה, hyperscanning מחקרים הראו המוח הזה פעילות של אנשים או קבוצות שמעצבת לסנכרן, למשל, בזמן שהם לתאם את הפעולות שלהם3, לעשות מוזיקה4,5, תקשורת לעסוק בכיתה פעילויות6 או7לשתף פעולה.
המאמר מציג פרוטוקול לביצוע הקלטות בו זמנית עם אינפרא אדום הפונקציונליים ספקטרוסקופיה (fNIRS). בדומה דימות תהודה מגנטי תפקודי (fMRI), fNIRS מודד את התגובה והמודינמיקה הפעלה מוחית. שינויים רווית חמצן, המוגלובין (אוקסי-Hb ו deoxy-Hb) אינם מחושבים בהתבסס על כמות אור אינפרא אדום diffusively המשודרת דרך רקמות8. fNIRS הוא גם מתאים ניסויים של hyperscanning, במיוחד עם ילדים, כי זה יכול להיות מיושם בהגדרות פחות מאולצות וטבעית יותר מאשר ה-fMRI. יתר על כן, זה נוטה פחות תנועה חפצים יותר משניהם, fMRI ו- EEG9. בנוסף, ניתן לרכוש fNIRS נתונים בתדרים דגימה גבוהה (למשל, 10 הרץ), ובכך הוא מאוד oversamples את התגובה איטית יחסית בגרימת ומספק ובכך פוטנציאל טמפורלית תמונה שלמה יותר של ספיקת הדם המוח10 .
פרוטוקול זה פותחה במסגרת המחקר של ריינדל. et al. 11 , מעט שונה (בפרט ביחס ערוץ מיקום וזיהוי ערוץ רע) לאחרונה. מטרת המחקר הייתה לבחון את פעילות המוח מסונכרן של דיאדת הורה-ילד. שימוש fNIRS hyperscanning, אנחנו העריכו-למוח synchrony באזורי המוח הקדם חזיתית של ילדים (בגילאי חמש עד תשע שנים), ההורים שלהם, בעיקר אמהות, במהלך שיתופית, פעילות המחשב תחרותי. המוח הקדם חזיתית אזורים ממוקדים כפי שהם היו זוהה אזורים חשובים עבור תהליכים חברתיים אינטראקטיביים hyperscanning הקודם מחקרים1 הפעילות קואופרטיב and תחרותי פותחו במקור על ידי קואי. et al. 12 ומועסק לאחרונה מספר הקודם מחקרים13,14,15. לצורך המחקר של ריינדל. et al. 11, המשימות ששונו מתאים לילדים. המשתתפים הונחו להשיב גם במשותף באמצעות לחצן מכבשים בתגובה מטרה (שיתוף פעולה) או להגיב מהר יותר השחקן השני (התחרות). כל ילד לבצע כל פעילות פעם עם האב ופעם אחת עם זר למבוגרים בני אותו המין כהורה. בתוך כל ילד םיפתתשמ ובניהם, דיסקרטית קוהרנטיות מחושב עבור האותות אוקסי-Hb של ערוצים המתאימים כאמצעי של synchrony למוח.
פרוטוקול זה מתאר את ההליכים כדי לאסוף נתונים hyperscanning fNIRS של הורה וילד במהלך המשחק קואופרטיב and תחרותי. התהליך הכללי, לעומת זאת, אינה ספציפית כדי עיצוב מחקר זה אבל מתאים לאוכלוסיות שונות (למשל, זרים למבוגרים, שותפים רומנטיים, אחים, וכו ‘), ניתן להתאים למספר משימות ניסויים שונים. פרוטוקול זה גם מתווה אפשרי אנליטי נוהל אחד, אשר מכסה צעדים ניתוח נתונים הכרחיות, כולל fNIRS נתונים preprocessing, זיהוי ערוץ רע, דיסקרטית קוהרנטיות ניתוח ואימות באמצעות ניתוח זוג אקראית.
Protocol
Representative Results
Discussion
ב פרוטוקול זה, אנו מציגים כיצד לערוך ניסויים hyperscanning fNIRS, דרך אפשרית. אחת כדי לנתח-למוח synchrony, מדידת ריכוז שינויים של אוקסי-Hb deoxy-Hb-אזורים במוח הקדמי של שני נושאים בו זמנית. FNIRS hyperscanning יחסית קל ליישם: מכשיר NIRS אחת מספיקה למדוד את פעילות המוח של שני נושאים על-ידי פיצול של optodes ביניהם. לפיכך, אין סי…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומן על ידי יוזמה מצוינות של המדינה הפדרלית הגרמנית, ממשלות (ERS זרע קרן, OPSF449). מערכת Hitachi NIRS נתמכה על ידי מימון DFG קרן מחקר גרמני (מוסד 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). |
Riferimenti
- 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).
