機能的近赤外分光法による Hyperscanning 実験を実施
Summary
この議定書では、fNIRS hyperscanning 実験を行い、脳-脳の同調性を分析する方法について説明します。さらに、私たちは課題と可能な解決策について説明します。
Abstract
脳の同時録音 2 つまたは複数の相互作用の人の hyperscanning と呼ばれるアプローチは、社会的相互作用やおそらく対人関係の神経生物学の基盤の私達の理解の重要性の高まりを集めています。.機能的近赤外分光法 (fNIRS) ため、サンプリング レートが高いとローカルの血行力学的効果を測定し、厳密な運動を必要としない、自然な設定で適用できる重要なは、hyperscanning の実験に適しています制限。この記事では親子母子で fNIRS hyperscanning 実験と分析脳-脳の同期プロトコルを提案します。さらに、重要な問題と実験的なデザイン、fNIRS チャンネル、生理学的影響、データ分析手法の空間登録について、今後の方向性について論じる。記述されていたプロトコル親子母子に固有ではないが、さまざまな大人の他人、ロマンチックなパートナー、または兄弟などの異なる二者星座に適用することができます。最後に、fNIRS hyperscanning 個々 の脳の活動を調べることによって学ぶことができる何を越えて行く可能性が継続的な社会的相互作用のダイナミクスに新しい洞察力をもたらす可能性があります。
Introduction
近年、神経科学者は、同時に 2 つ以上の人の脳活動を記録することによって社会的な相互作用を研究し始めているとのアプローチ呼ばれる hyperscanning1。この手法は、これらの相互作用の神経生理機構を解明するための新しい機会を開きます。社会的な相互作用を完全に理解するには、は、分離が相互作用する人2の脳の共同の活動ではなく単一の脳の研究できない可能性があります。異なるニューロ イメージング技術を使用して、hyperscanning の研究がその脳相互作用する人やグループの活動を同期などを示されている、彼らは彼らのアクション3を調整、間を作る音楽45の通信教室活動6に従事または7を協力します。
記事は、機能的近赤外分光法 (fNIRS) と同時の録音を行うためのプロトコルを示します。機能的磁気共鳴画像 (fMRI) と同様に、fNIRS 脳の活性化、血流応答を測定します。(デオキシ ヘモグロビンとオキシ Hb) は酸素と脱酸素化ヘモグロビン量の変化は拡散透過近赤外光組織8の金額に基づいて計算されます。fNIRS は、fMRI よりも少ない制約とより自然な設定で適用できるので子どもたち、とくに、hyperscanning の実験に適しています。また、機能的 Mri と脳波9の両方より動きアーチファクトが発生しにくいです。さらに、高いサンプリング周波数 (例えば、10 Hz) で fNIRS のデータを得ることができる、従ってそれは比較的遅い血流応答が高いオーバー サンプリングされ、それにより潜在的脳血行動態10 のより完全な一時的な画像を提供します.
このプロトコルはゆっくりくつろぐらの研究で開発されました。11とわずかに変更された (チャネル配置と悪いチャネル同定に関して特に) で最近では。研究の目的は親-子母子の同期の脳活動を検討しました。FNIRS の hyperscanning を使用して、我々 は、協調と競争力のあるコンピューター作業中 (5 ~ 9 歳) の子供の前頭前野の脳領域の脳-脳同調その親、ほとんど母親を評価します。前頭前野の脳の領域は、彼らは、以前 hyperscanning 研究1で社会的な対話型プロセスの重要な領域として認識されていたように目標とされました。Cuiらによって開発された協調と競争力のあるタスク12最近いくつか以前研究13,14,15に雇われています。ゆっくりくつろぐらの研究のため11タスクは、子供に合うように変更されました。参加者は、ターゲット (協力) に応答ボタンを押すを介して対応共同でいずれかまたは他のプレーヤー (競争) より迅速に応答を指示されました。それぞれの子は、親と親として同性の大人の見知らぬ人回各タスクを実行できます。各子大人ダイアド内は、脳-脳の同調性の尺度として対応するチャンネルのオキシ Hb 信号のウェーブレット コヒーレンスを求めた。
このプロトコルでは、協調と競争力のあるゲームの間に親と子の fNIRS hyperscanning データを収集する手順について説明します。全体的な手順はしかし、この研究デザインに固有ではないが、別の集団 (例えば、大人の他人、ロマンチックなパートナー、兄弟、等) に適して、さまざまな実験的タスクの数に適応することができます。このプロトコルには、カバーする必要および省略可能なデータ解析の手順を実行するには、ランダムなペアによる fNIRS データの前処理、悪いチャンネル検出、ウェーブレット コヒーレンス解析および検証を含む 2 つの可能な分析方法もについて説明します。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルではオキシ Hb と 2 科目の前頭葉の脳領域でデオキシ ヘモグロビンの濃度変化を同時に計測 fNIRS hyperscanning 実験・脳-脳の同調性を分析する方法の 1 つを行う方法を示します。FNIRS の hyperscanning は比較的簡単に適用する: 単一の放医研デバイスはそれらの間バイオケミカルを分割することによって両方の被験者の脳の活動を測定するのに十分です。したがって、異なるデバイス?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、エクセレンス イニシアチブはドイツの連邦国家の政府 (ERS シード基金、OPSF449) によって賄われていた。放医研日立システムは、ドイツの研究基礎 DFG (INST 948/18-1 FUGG) の資金によって支えられました。
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).
